水庫巖體三維滲流分析及壩基滲漏控制

朱偉國

(江西久源建設(shè)工程有限公司，江西 南昌 330038)

1 工程概況

江西省一中型水庫正常蓄水位為241.5 m，總設(shè)計(jì)庫容1093×104m3，總裝機(jī)容量2380 kW，具備灌溉、發(fā)電、養(yǎng)殖等功能。水庫工程包括溢洪道、發(fā)電隧洞、壩下涵管、泄洪隧洞、灌溉渠道等建筑物。水庫大壩為土石壩形式，上下游分別為均質(zhì)土體和堆石體，壩軸線為上凸弧形。壩頂長270 m、寬4.75 m，壩頂高程為240.8 m。壩址區(qū)以巖溶地貌為主，地表分布較多的溶洞、溶槽、溶溝，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘探結(jié)果，壩址區(qū)巖溶發(fā)育。壩基上部主要分布第四系全新統(tǒng)晚期沖洪積物，其上為4.8 m厚的低液限粉土，再上是結(jié)構(gòu)松散、6.0 m厚的粉細(xì)砂層。

2 模型構(gòu)建

該水庫大壩壩頂向下游單向傾斜2%坡度，壩頂上游設(shè)置防浪墻，墻頂比壩面高出1.2 m；上游壩坡坡比1∶1.25，道路間壩坡坡比1∶2.10。上游壩坡采用25 cm厚的C30F300現(xiàn)澆混凝土板護(hù)坡，單個(gè)混凝土板長和寬均為4.0 m；下游壩坡則全部使用混凝土網(wǎng)格梁；下游坡腳處設(shè)置2.0 m寬的排水棱體。結(jié)合壩址區(qū)水文地質(zhì)條件建立三維滲流模型，地表面則依據(jù)Auto CAD中等高線數(shù)據(jù)，通過Kriging插值法生成[1]。模型由29 165個(gè)單元和42 566個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，通過水頭差展開滲流分析。水庫大壩壩體防滲土體為低液限黏土，粉粒及黏粒含量分別在78.46%～80.00%和20.00%～25.00%之間，液限26.0～28.1，塑性指數(shù)12.0～12.31，自由膨脹率4.0%～6.2%，不具膨脹性和分散性。

模型材料分區(qū)見圖1。在材料表中錄入該水庫大壩各土層材料，并結(jié)合地勘資料錄入各土層材料的物理力學(xué)參數(shù)，具體見表1，壩體、壩基滲透系數(shù)全部通過反演得到。壩體坡面和庫水位以下河谷均為已知水頭邊界，岸坡及下游河谷控制水位根據(jù)河床水位設(shè)定，并將其上坡面設(shè)定為溢出面邊界，底部和四周設(shè)定為自由透水邊界[2]。

表1 各土層材料物理力學(xué)參數(shù)取值

圖1 水庫壩基材料分區(qū)

3 滲透參數(shù)反演

結(jié)合該水庫大壩運(yùn)行情況監(jiān)測資料，水庫大壩建成后歷經(jīng)數(shù)次巖溶滲漏處理，但壩基仍存在明顯滲漏。當(dāng)庫水位為220.0 m時(shí)，下游壩腳處滲漏量實(shí)測值為44.1 L/s(以此為工況1)；水庫于2019年5月開始?jí)位罎B帷幕施工，次年2月防滲墻完工，4月10日帷幕灌漿施工完成，在庫水位為208.5 m時(shí)，下游壩腳滲漏量實(shí)測值為4.65 L/s(以此為工況2)。此處主要以兩種滲漏條件的邊界條件為輸入，依據(jù)實(shí)測滲漏量結(jié)果，對以上兩種滲漏條件下的滲透參數(shù)展開反演。值得注意的是，壩體、壩基、防滲墻和防滲帷幕滲透特性參數(shù)均對該水庫壩基巖溶發(fā)育區(qū)滲漏量存在一定影響[3]。為簡化計(jì)算過程，僅對壩基滲透系數(shù)展開反演，壩體因主要采用復(fù)合土工布材料，滲透系數(shù)較為穩(wěn)定；帷幕滲透系數(shù)對滲流量的影響在本文滲漏原因中展開探討。

3.1 工況1反演分析

以該工況下水庫壩基滲漏量為目標(biāo)值展開壩基滲透參數(shù)反演。分別計(jì)算表2中不同壩基巖溶發(fā)育區(qū)滲透系數(shù)對應(yīng)的滲流量，據(jù)此確定出兩者的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而得出較為合理的壩基滲透系數(shù)取值。根據(jù)表中滲漏量計(jì)算結(jié)果可以得出5種方案下壩基巖體滲透系數(shù)變化與壩體下游滲漏量變化的關(guān)系，見圖2。令壩體下游滲漏量為y，壩基巖體滲透系數(shù)為x，則根據(jù)最小二乘法擬合出兩者的函數(shù)關(guān)系為y=-2.48+9628.34x。將工況1中下游滲漏量為44.1 L/s代入函數(shù)關(guān)系式，可以得出壩基巖體滲透系數(shù)為4.84×10-3cm/s。在模型中輸入該滲透系數(shù)后重新計(jì)算，得出下游滲漏量為43.7 L/s，與44.1 L/s的滲漏量實(shí)際的誤差不超出2%，滿足《水庫工程管理設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 106—2017)要求。

表2 工況1的滲漏量結(jié)果

圖2 工況1壩基巖體滲透系數(shù)與壩體下游滲漏量的關(guān)系

3.2 工況2反演分析

以該工況下水庫壩基滲漏量為目標(biāo)值展開壩基滲透參數(shù)反演。分別計(jì)算表3中不同壩基巖溶發(fā)育區(qū)滲透系數(shù)對應(yīng)的滲流量，據(jù)此確定出兩者的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而得出較為合理的壩基滲透系數(shù)取值。根據(jù)表中滲漏量計(jì)算結(jié)果可以得出5種方案下壩基巖體滲透系數(shù)變化與壩體下游滲漏量變化的關(guān)系，見圖3，壩基巖體滲透系數(shù)和滲漏量基本呈線性關(guān)系。根據(jù)最小二乘法擬合出兩者的函數(shù)關(guān)系為y=3.18+5567.85x，將該工況下滲漏量4.61 L/s代入函數(shù)關(guān)系式可以得出壩基巖體滲透系數(shù)為2.59×10-4cm/s。將該滲透系數(shù)反演結(jié)果輸入模型，重新求得下游滲漏量為4.58 L/s，與4.61 L/s的滲漏量實(shí)測值相比誤差不超出1%，滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

表3 工況2的滲漏量結(jié)果

圖3 工況2壩基巖體滲透系數(shù)與壩體下游滲漏量的關(guān)系

4 滲漏原因及大壩滲流分析

基于該水庫大壩壩基滲漏分析及參數(shù)反演，對正常蓄水位下大壩滲流情況展開分析，為滲漏量預(yù)估提供依據(jù)。

4.1 滲漏原因

壩體滲漏、壩基巖溶通道滲漏、壩基巖體滲漏等共同構(gòu)成該水庫下游坡腳滲漏。庫水位在220.0 m時(shí)的壩體計(jì)算滲漏量和實(shí)測滲漏量分別為0.50 L/s和44.10 L/s，表明壩腳滲漏量受壩體滲漏的影響并不大。為此，只進(jìn)行壩腳滲漏與壩基滲漏、巖溶滲漏關(guān)系的分析。

庫水入滲補(bǔ)給是該水庫巖溶水主要的補(bǔ)給渠道，而庫水滲漏以溶洞為通道，并促使壩基巖體滲透性能的改變，因此，可將巖溶水滲漏簡化為壩基滲漏問題。防滲墻的施工對壩基滲漏造成兩方面影響：一是因防滲墻滲透系數(shù)過小，大壩滲漏路徑受到影響滲漏量隨之減少；二是因防滲墻施工使部分溶洞得到充填，巖溶水滲漏路徑受到影響，壩基綜合滲透系數(shù)得以提升，滲漏量也相應(yīng)減小。故通過對防滲墻施工前后壩基滲透系數(shù)變動(dòng)趨勢的分析，便可明確下游壩腳滲漏的主要原因。

通過以上對兩種不同滲漏條件下壩基巖體滲透系數(shù)反演過程及結(jié)果的分析看出，防滲墻施工前后相應(yīng)的滲透系數(shù)值分別取4.85×10-3cm/s和2.56×10-4cm/s，壩基巖溶發(fā)育區(qū)工后的滲透系數(shù)值約為防滲墻施工前滲透系數(shù)的5.56%，意味著防滲墻的施工對水庫壩基巖溶水的阻隔作用十分顯著，而巖溶水滲漏也是引發(fā)下游壩腳滲漏的主要原因。

此外，防滲墻自身滲透系數(shù)對水庫壩基滲漏量也存在一定程度的影響，而防滲墻滲透系數(shù)取值與水文地質(zhì)條件、施工工藝、施工質(zhì)量控制、原材料等有關(guān)，且存在較大的確定難度。為排除不確定因素對防滲墻滲透系數(shù)取值的影響，以滲漏條件一定的壩基滲透系數(shù)反演結(jié)果為依據(jù)展開防滲墻滲透系數(shù)敏感性分析[4]。通過對國內(nèi)外類似水庫工程壩基防滲帷幕灌漿前后滲透系數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析，確定防滲墻滲透系數(shù)敏感性分析的合理范圍。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，該水庫壩基防滲帷幕滲透系數(shù)敏感性分析范圍應(yīng)確定在1.0×10-4～1.0×10-6cm/s之間，并提出5種計(jì)算方案，滲透系數(shù)取值及滲漏量計(jì)算結(jié)果詳見表4。根據(jù)表中計(jì)算結(jié)果，防滲墻滲透系數(shù)增大后帷幕處等水頭線集中的現(xiàn)象得到一定程度緩解；敏感性范圍內(nèi)的滲漏量在24.2～37.7 L/s之間取值，與防滲帷幕建造前相比，滲漏量減少了19.9～6.5 L/s，表明防滲墻具備較好的防滲效果。但下游壩腳滲漏量與實(shí)測值存在較大差距，僅考慮防滲帷幕的作用則無法解釋防滲墻施工后下游滲漏量變化的原因，因?yàn)閹r溶水滲漏是引起下游壩腳滲漏的主要原因。

表4 防滲帷幕滲透系數(shù)敏感性分析

4.2 大壩滲流分析

正常蓄水位下該水庫大壩三維滲流模擬結(jié)果見圖4和圖5。由圖可知，防滲墻周圍地下水等壓力水頭變化較為劇烈，帷幕上下游壓力水頭差達(dá)到16 m；距離防滲墻較遠(yuǎn)處的等壓力水頭基本隨埋深的增大而增大；上游、壩肩地下水壓力水頭依次大于下游和中部地下水壓力水頭。防滲帷幕周圍的地下水等水位面明顯集中，意味著防滲帷幕的修建發(fā)揮了較好的防滲作用；帷幕周圍地下水等水位面最為集中，下游壩腳處次之，上游地下水等水位面最為分散。

圖4 地下水等水位面(單位：m)

圖5 地下水等水位線(單位：m)

5 結(jié) 論

該水庫大壩壩址區(qū)以巖溶地貌為主，地表溶洞、溶槽、溶溝等分布較多，且壩址區(qū)巖溶發(fā)育，在裂隙及斷層影響下形成斷塊結(jié)構(gòu)，在地表淺層強(qiáng)風(fēng)化作用下，巖體滲透性較大，庫水滲漏也成為壩體安全穩(wěn)定運(yùn)行所面臨的主要問題。根據(jù)分析結(jié)果，在設(shè)置防滲帷幕，并且壩體滲漏、壩基巖溶通道滲漏、壩基巖體滲漏等引起壩基滲漏的深層次原因均解決后，庫水滲漏得到有效遏制。以上分析結(jié)果可作為該水庫壩基滲漏控制及除險(xiǎn)加固的基礎(chǔ)資料。