基于敏感性分析的瀝青心墻堆石壩滲流觀測布置及其改進分析

童廣勤,張海龍,佘成學,王靜云,汪昌港

(1.中國長江三峽集團有限公司流域樞紐運行管理中心,湖北 宜昌 443133;2.武漢大學 水資源與水電工程國家重點實驗室,湖北 武漢 430072;3.中國水利水電第八工程局有限公司,湖南 長沙 410000)

我國修建了很多堆石壩,為了監(jiān)控大壩安全,在壩體中埋設了大量的滲流觀測設施。通過觀測分析,往往會發(fā)現(xiàn)多個問題。有的大壩會發(fā)現(xiàn)實測滲流量與設計計算值相差甚遠,其原因是否與大壩材料滲透性發(fā)生變異有關;上游壩殼材料在庫水浸泡下滲透系數(shù)可能發(fā)生變化,心墻可能隨裂縫的增加而滲透性發(fā)生變化,現(xiàn)有滲流觀測設施能否反映這種變化,并能對壩殼料、心墻等的滲透性變化進行監(jiān)控,以便掌握大壩的滲流安全狀況;如果現(xiàn)有滲流觀測設施不能夠監(jiān)控壩殼料、心墻的滲透性變化,則如何改進滲流觀測布置以實現(xiàn)對其監(jiān)控。這些問題與大壩滲流觀測設計、完善及安全管理密切相關,迫切需要加以解決。

滲流敏感性計算,可以定量分析壩體、壩基材料滲透性變化與水位、滲流量等觀測值之間的關系,是研究解決上述問題的一條有效途徑。目前,敏感性計算分析方法在大壩滲流分析中應用較廣,從應用情況看,可分為單因素分析法[1-7]和多因素正交分析法[8-12]。文獻[13]結(jié)合某大壩滲流場分析,論證了單因素分析法與多因素正交分析法,所分析的材料滲流敏感性排序基本一致。

本文結(jié)合某瀝青混凝土心墻堆石壩工程,通過單因素敏感性計算,分析其實測滲流量與計算滲流量差異的主要原因,論證現(xiàn)有觀測設施監(jiān)控上游壩殼料、心墻的滲透性變化的不足之處。進一步利用敏感性計算,針對上游壩殼料、瀝青混凝土心墻,設計并分析滲流觀測布置方案改進的可行性。

1 當前滲流觀測布置的計算分析

1.1 工程基本情況

某水庫工程大壩壩頂高程185 m,最大壩高104 m,大壩總長約950.0 m,大壩及兩岸防滲軸線總長約1 800 m;大壩采用瀝青混凝土心墻防滲,壩基及兩岸山體采取了開挖清理、澆筑混凝土基座、混凝土防滲墻、固結(jié)灌漿及帷幕灌漿等工程措施,進行防滲處理,大壩典型剖面及防滲體系見圖1。

圖1 大壩典型斷面及防滲設施

混凝土基座是瀝青混凝土防滲心墻的基礎,高度10 m,上、下游寬20 m,在其中布置有寬2.0 m,高2.5 m的廊道,具體見圖2。

圖2 混凝土基座及廊道示意圖

以大壩壩頂右端點為樁號起點,在0+580、0+700及0+850 m三個樁號位置,設置了3個滲流監(jiān)測斷面,布置了滲壓計,以監(jiān)測壩內(nèi)水位狀況;在大壩的下游壩趾位置,保留了施工圍堰,在圍堰與大壩之間形成一個集水塘,用于收集經(jīng)由壩體、壩基及兩岸山體的滲流,通過量水堰,觀測壩體、壩基的總滲流量。

1.2 壩體壩基滲透系數(shù)敏感性計算分析

根據(jù)工程觀測報告,水庫蓄水至175 m,大壩和壩基滲漏量約為1 740.5 L/min,遠小于設計計算滲流量4 000 L/min。通過三維有限元敏感性計算分析,檢查是否與上游壩殼料、心墻滲透性變異有關,以及分析現(xiàn)有滲流觀測設施能否監(jiān)控上游壩殼料、心墻等的滲透性變化。

(1) 有限元模型。圍繞大壩、壩基及兩岸山體,構(gòu)建滲流計算有限元網(wǎng)格模型,見圖3,具體說明如下:

圖3 滲流有限元網(wǎng)格

1) 滲流場計算模擬范圍

左岸以排水箱涵為界,延伸至水庫;右岸以下游側(cè)的沖溝為界,在其端部向上游延伸,然后轉(zhuǎn)折至水庫;在上游區(qū)域,從壩踵起向庫區(qū)延伸1.5倍壩高;下游則以溪溝為界;底部取至壩基以下150 m。

2) 壩體、壩基及兩岸山體各材料的模擬

在壩體中填筑了多種材料:瀝青混凝土心墻、瀝青混凝土心墻上下游兩側(cè)的過渡層、混凝土基座、石渣料、石渣混合料、風化砂等。在壩基及兩岸中的材料有:混凝土防滲墻、灌漿帷幕、覆蓋層以及全風化、強風化、弱風化及微風化巖層等。

3) 有限元網(wǎng)格及邊界條件

有限元網(wǎng)格全部采用8節(jié)點等參單元,總單元數(shù)為244 068,總節(jié)點數(shù)為257 348。滲流邊界條件為:在上游水庫一側(cè)的垂直邊界,按不透水處理;庫水淹沒的庫底、壩坡及山坡表面,均按等勢面處理;在模型左右兩側(cè),兩岸山坡的豎直邊界,按不透水邊界處理;下游右岸側(cè)的沖溝及下游溪溝,在沖溝或溪溝的上部出露邊界,按滲流逸出邊界處理,而在其下部的豎直邊界,則按不透水邊界考慮;在集水塘內(nèi)處于水下的排水棱體表面、集水塘底面、兩岸山坡面以及圍堰上游側(cè)表面等,按下游等勢面處理;其余的下游山坡表面、大壩下游壩面以及集水塘下游原河谷所在位置的地表面,均按滲流逸出邊界處理;模型底部邊界按不透水邊界處理。

(2) 滲流敏感性計算分析。根據(jù)設計報告,表1給出大壩及基礎中各材料滲透系數(shù)取值,將其作為敏感性計算的基準值。

表1 各材料滲透系數(shù)基準值

將瀝青混凝土防滲心墻、混凝土防滲墻、混凝土基座、灌漿帷幕、過渡層、石渣料、風化砂、石渣混合料、覆蓋層及全強風化層材料、弱風化層、微風化層,共11種材料,以表1中的滲透系數(shù)值為基準,進行單因素敏感性計算分析。

按設計時采用的工況及上、下游水頭,以表1滲透系數(shù)進行滲流場計算,得到進入下游集水塘的總滲流量約4 292.0 L/min,與設計計算的滲流量4 000.0 L/min相當。考慮到計算流量遠大于實測流量,因此,在敏感性計算時,滲透系數(shù)向減小方向變化。根據(jù)滲透系數(shù)可能的最大變化范圍,折減系數(shù)在0～1之間變化,一般可按一定間隔取值,本文具體取值為0.05和0.1,分別以其逐個折減表1中滲透系數(shù),進行滲流場計算。

按下式計算滲流流量差及水頭差:

ΔQj=|Qj-Q0|

(1)

ΔHij=|Hij-H0j|

(2)

式中:Qj表示由第j個滲透系數(shù)折減后計算的匯入集水塘的滲流量;Q0為滲透系數(shù)基準值計算的匯入集水塘的滲流量,也即4 292.0 L/min。Hij表示由第j個滲透系數(shù)折減后計算的第i個測點的水頭;H0j表示由表1滲透系數(shù)基準值計算的第i個測點的水頭; ΔHij為水頭差。

對于滲流量,以下式計算滲流量變化百分率:

ηj=ΔQj/Q0×100%

(3)

利用式(1),計算各材料滲透系數(shù)在不同折減下計算的滲流量與4 292 L/min的流量差,列入表2;以式(3)計算滲流量變化百分率,也列在同一表格中。在0+580、0+700及0+850觀測斷面中,選擇距離瀝青混凝土心墻最近的測點(其水頭變化分別在各觀測斷面中最大),共三個測點,利用式(2),計算各材料滲透系數(shù)折減后計算的測點水頭,與以基準滲透系數(shù)計算的測點水頭相減,也列入表2。

表2 各材料滲透系數(shù)敏感性計算分析結(jié)果

為減小計算工作量,將弱風化層、微風化層作為一個整體,同時進行滲透系數(shù)折減,計算結(jié)果在表中弱-微風化層一欄中列出。

從表中數(shù)據(jù)可以看到,混凝土防滲墻、混凝土基座、灌漿帷幕、過渡料、風化砂等材料,對應的滲流量差、水頭差明顯很小,且隨折減系數(shù)增大,其流量值、測點水位變化值均不大,明顯不敏感。

對于其余材料,諸如瀝青混凝土、石渣料、石渣混合料、覆蓋層及全-強風化層以及弱-微風化層,為更加直觀顯示其敏感性情況,將折減系數(shù)及對應的滲流量及水頭變化值取出繪圖,見圖4,其中對于水頭變化,因規(guī)律大致類似,故以0+850觀測斷面的測點為代表繪圖。

圖4 各材料不同折減系數(shù)下滲流量及測點水頭變化值對比圖

從圖中可以明顯看到:

1) 隨滲透系數(shù)折減系數(shù)減小,滲透系數(shù)下降,滲流量、測點水頭變化量都隨著增加,但以弱-微風化層對應的變化量明顯最大,覆蓋層及全-強風化層的變化次之,其余材料與之相比,其數(shù)值相差甚遠。

2) 從曲線的斜率變化情況看,隨著折減系數(shù)減小,各材料對應的滲流量、水頭差的變化率均逐漸降低,表現(xiàn)出類似的規(guī)律,但仍然是弱-微風化層、覆蓋層及全-強風化層的變化率相對較大。

從上述流量、測點水頭變化量及變化率情況看,弱-微風化層、覆蓋層及全-強風化層具有絕對的控制性影響,而其他材料與之差距甚遠。顯然,若進行滲透系數(shù)反演,則主要對這兩種材料滲透系數(shù)反演。

1.3 滲透系數(shù)反演

為進一步了解覆蓋層及全-強風化層、弱-微風化層的實際滲透系數(shù),對兩者滲透系數(shù)反演。選擇庫水位在較長時間范圍內(nèi)變化小,無降雨影響情況的庫水位及滲流量觀測值,用于反演。有兩個數(shù)據(jù)可用:一是庫水位174.73 m,滲流量1 502.6 L/min;二是庫水位155.43 m,滲流量957.3 L/min。

采用神經(jīng)網(wǎng)絡-遺傳算法進行反演計算,該法已有很多研究應用[14-15],為大家所熟知,限于篇幅,反演具體過程不再詳述。反演結(jié)果為:弱風化巖層的滲透系數(shù) 0.83×10-5cm/s,微風化巖層的滲透系數(shù)0.36×10-5cm/s,覆蓋層及全-強風化層的綜合滲透系數(shù)0.28×10-2cm/s。以此滲透系數(shù)計算上游庫水位174.73 m和155.43 m對應的滲流量,分別為1 521.0 L/min和975.0 L/min。分別與實測流量對比,差值分別為18.4 L/min和17.7 L/min,計算值和實測值很接近。

1.4 討論分析

通過上述敏感性計算分析及反演計算,可以看到:

(1)實測滲流量與計算滲流量的差異,是由于覆蓋層及全-強風化層、弱-微風化巖層,也即基礎的滲透性差異導致的,與上游壩殼材料、防滲心墻的滲透性變化與否關系不大。

(2)現(xiàn)有的觀測布置,無論從測點水頭變化角度,還是從滲流量變化角度,對上游壩殼材料、防滲心墻的滲透性變化反應不敏感,也即現(xiàn)有的觀測布置,無法監(jiān)控上游壩殼堆石料、心墻等在大壩運行過程中的滲透性變化情況。

對于上游壩殼材料,特別是心墻,在運行過程中的滲透性變化,與大壩安全密切相關,是工程中非常關心的監(jiān)控內(nèi)容,因此,有必要尋找新的途徑,完善大壩滲流觀測布置,以便對其進行監(jiān)控。

2 滲流觀測布置改進及可行性分析

若要改進滲流觀測設施的布置,則必須要使新的觀測布置與上游壩體材料、心墻的滲流狀況密切相關,從而使觀測的滲流量或測點水頭變化,隨壩體材料、心墻的滲透性變化敏感。可以構(gòu)想滲流觀測完善布置方案,然后通過滲流敏感性計算,分析所構(gòu)想的滲流觀測完善布置方案的可行性,這樣一條技術(shù)路徑進行。

(1)上游壩殼料的滲流觀測完善布置方案及可行性

在現(xiàn)場考察中,發(fā)現(xiàn)在混凝土基座廊道的施工接縫中有滲流滲出,隨著上游水位變化而流量變化明顯。該滲流量與上游壩殼材料滲透性密切相關,因此,能否利用該滲流量觀測,監(jiān)控上游壩殼材料滲透系數(shù)的變化,值得深入探討。

由于接縫中的滲流量大小,與接縫進口位置,也即混凝土基座上游側(cè)的水頭有關,因此,對滲流量的考察,可以轉(zhuǎn)化為對基座上游側(cè)水頭變化的考察,如果水頭變化隨壩殼料滲透系數(shù)變化敏感,則這種觀測布置具有可行性。

如前所述,上游壩殼材料主要為石渣料、風化砂及石渣混合料。在運行過程中,由于堆石顆粒破碎等原因,孔隙減小,滲透性下降,因此,在敏感性計算時,其滲透性按下降考慮,將其滲透系數(shù)折減,進行敏感性計算。滲透系數(shù)折減系數(shù)分別取0.8、0.1,分別代表堆石體滲透系數(shù)降低較小、較大兩種情況。

同前,采用單因素敏感性計算方法,分析石渣料、風化砂及石渣混合料滲透系數(shù)變化對混凝土基座上游側(cè)點水頭的影響情況。在基座上游側(cè)中間高度位置,設置三個觀測點,樁號分別在0+590、0+700和0+800 m,可用于考察這種敏感性及沿著廊道是否具有一致性。

在不同折減系數(shù)情況下,各觀測點水頭變化情況見表3所示。其中,在敏感性計算時,覆蓋層及全-強風化層、弱-微風化層的滲透系數(shù),按前面反演計算得到的滲透系數(shù)值參與計算。

表3 上游壩殼料滲透系數(shù)敏感性計算分析結(jié)果

從表3數(shù)據(jù)變化情況可以看到:

1) 三種材料隨滲透系數(shù)折減系數(shù)減小,觀測點水頭差異均相應增加,數(shù)值變化比較大,因此,可以確定,測點水頭變化隨滲透系數(shù)的變化是敏感的。

2) 在廊道中,不同位置測點的水頭變化盡管有差異,都具有相同的變化規(guī)律,因此,測點布置在廊道中不同位置,都是可行的。

(2) 瀝青混凝土心墻滲流觀測布置改進方案及可行性

對于瀝青混凝土心墻,則考慮在其下游側(cè)過渡層內(nèi)布設測壓管,使測壓管與心墻比較靠近。其中下游過渡層位置參見圖2。

在運行過程中,瀝青混凝土心墻往往因開裂而使其滲透系數(shù)增加,因此,敏感性計算時,滲透系數(shù)向大的方向變化。設定其滲透系數(shù)放大系數(shù)1.05和1.5,分別代表其滲透系數(shù)放大較小、較大兩種情況。同樣,分別在樁號0+590、0+680和0+780 m位置,設置三個觀測點。敏感性計算結(jié)果見表4。

表4 瀝青混凝土心墻滲透系數(shù)敏感性計算分析結(jié)果

從表4可以看到:

(1) 隨心墻滲透系數(shù)放大倍數(shù)增加,觀測點水頭差均相應增加,數(shù)值變化比較大,且變化率也比較大,因此,可以確定,測點水頭變化隨滲透系數(shù)的變化是敏感的。

(2) 不同位置測點的水頭變化盡管有差異,也即敏感性有差異,但敏感性都比較強,反映了從樁號0+590至0+780樁號水頭變化敏感性變化狀態(tài)。在實際工程中,可根據(jù)具體布置需要,在此樁號范圍內(nèi)的下游過渡層中布置測壓管。

3 結(jié) 論

通過上述計算分析,得到如下結(jié)論:

(1) 滲流實測流量遠小于設計計算流量,這種差異與上游壩殼料、心墻的滲透性是否發(fā)生變化沒有關系,而與基礎的滲透性差異密切相關。

(2) 現(xiàn)有滲流觀測布置,不能有效反映上游壩殼料、瀝青混凝土心墻的滲透性變化,因而無法以觀測數(shù)據(jù)對其變化進行有效監(jiān)控。

(3) 為實現(xiàn)監(jiān)控上游壩殼料、心墻的滲透性變化情況,需要改進現(xiàn)有滲流觀測布置。在混凝土基座廊道中布置滲流量觀測,以及在心墻緊鄰下游側(cè)過渡層內(nèi)布置測壓管,對于其滲透系數(shù)變化進行監(jiān)控,理論上可行。

(4) 對于瀝青或瀝青混凝土心墻堆石壩,若基礎滲透性相對較強,則常規(guī)的滲流監(jiān)測布置,往往難于監(jiān)控上游壩殼料、心墻的滲透性變化情況,而需要探索特殊的滲流觀測布置,才能夠?qū)ζ渥兓M行監(jiān)控。