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0引言

土石壩具有地形適應(yīng)性好、就地取材、投資省、施工簡單等優(yōu)點，是我國水電資源開發(fā)大壩建設(shè)的主要壩型之一［1］。土石壩滲漏安全問題一直是水庫大壩的焦點與難點，為此工程和科技人員從防滲工藝、大壩安全監(jiān)測方法、土石壩病害機理等方面開展了大量的研究工作［2－5］。但是，由于受建設(shè)時期技術(shù)水平的限制或后期運管維護情況的綜合影響，大量水庫大壩在滲漏、抗震、防洪等方面存在安全隱患［6－8］，其中土石壩滲漏問題尤為突出［9］。黏土心墻堆石壩是用填筑于壩體中心的滲透系數(shù)較低的黏性土體作為防滲設(shè)備的土石壩。此類壩由心墻防滲、上下游壩殼支撐心墻保持壩體穩(wěn)定，同時下游壩趾設(shè)排水以排除壩體、壩基滲水，并可保護下游壩腳不受沖刷。某水庫壩體為黏土心墻堆石壩，經(jīng)例行檢查發(fā)現(xiàn)壩體即使在低水位運行情況下(即水位遠小于設(shè)計正常蓄水位)仍然發(fā)現(xiàn)了滲漏現(xiàn)象。為確保壩體的安全運行，本文結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測和室內(nèi)試驗手段對壩體滲漏的原因進行分析，并通過三維有限元穩(wěn)定滲流計算分析正常蓄水位工況下大壩的滲流穩(wěn)定，基于計算結(jié)果給出相應(yīng)的工程建議。

1工程概況

發(fā)生滲漏的壩體為黏土心墻堆石壩(如圖1所示)，壩頂長度1121.1m，壩頂高程63.50m，最大壩高50.70m。壩頂上游側(cè)設(shè)鋼筋混凝土防浪墻，高0.8m。上游采用現(xiàn)澆混凝土塊護坡，坡比為1∶3.0。下游草皮護坡自壩頂至45m高程、2m寬的馬道處壩坡為1∶2.5，馬道以下壩坡為1∶2.75，堆石棱體頂高程為25m。棱體下游設(shè)排水溝，并設(shè)置量水堰。大壩黏土防滲心墻頂寬為6.0m，上下游坡比均為1∶0.5，在黏土心墻與下游壩殼之間設(shè)厚度2m的砂反濾層，在黏土心墻與上游壩殼之間設(shè)厚度1m的砂反濾層。下游坡面設(shè)置縱橫連結(jié)的排水溝，每隔75m設(shè)置一道橫向排水溝，縱向排水溝設(shè)置在馬道內(nèi)側(cè)。壩基防滲處理方式為防滲墻和帷幕灌漿，混凝土防滲墻厚600mm，墻體下端嵌入強風化巖0.5m。在壩基防滲墻以下的強、弱風化巖層，對透水率大于5Lu、防滲墻深度不大于1倍壩高的壩段設(shè)帷幕灌漿，沿壩軸線布置，孔距2m，至5Lu線以下，防滲設(shè)計標準為灌漿后基巖透水率不大于5Lu。2018年2月，經(jīng)例行檢查發(fā)現(xiàn)水庫壩體在上游低水位運行工況下(庫水位為40.25m，小于正常蓄水位59.70m)多個斷面出現(xiàn)了滲水溢出，如圖2所示。個別滲漏點有細砂流出，滲水排水量有較明顯的加大，滲漏量明顯異常，存在安全隱患。

2現(xiàn)場監(jiān)測與滲透試驗結(jié)果與分析

2.1現(xiàn)場檢測結(jié)果與分析

為探明壩體在低水位運行工況下的滲漏原因，在壩體4個斷面布置了滲壓計和測斜管。滲壓計主要布置在每個斷面的心墻上游壩體強風化料內(nèi)、心墻中心線、心墻下游邊緣，下游馬道下覆壩體強風化料部位;測斜管布置在壩腳處，如圖1所示。監(jiān)測系統(tǒng)布置工作自2020年5月下旬開始，至2020年7月中旬完成。儀器布置完成后即開始觀測，采用頻率讀數(shù)儀人工讀數(shù)觀測，測次為4次/月，觀測至2021年6月末。圖3為壩體某斷面各測點實測水位變化過程?？梢钥闯?，壩體內(nèi)各測點滲流壓力測值平穩(wěn)，測值均隨庫水位同步變化，壩體各測點滲流壓力水位變化過程正常。其中，SY1號測點位于上游壩殼強風化料內(nèi)，測值略低于上游庫水位;壩腳下游排水棱體內(nèi)測壓管水位測值穩(wěn)定，觀測期間基本沒有變化，表明大壩下游水位穩(wěn)定。壩體各測點滲流壓力水位SY1號測點＞SY2號測點＞SY3號測點＞SY4號測點＞CX測點，符合土石壩滲流一般規(guī)律。但是，斷面中位于下游壩體內(nèi)的SY4測點2021年6月7日測值為27.94m(見圖4)，高于大壩下游排水棱體頂部(25.00m);位于大壩下游排水溝后面的排水棱體內(nèi)CX測點2021年6月7日測值分別22.95m，高于排水棱體底部高程(19.95m)。這表明大壩下游壩體內(nèi)及排水棱體內(nèi)水位均較高，即大壩浸潤面較高。

2.2滲透試驗結(jié)果與分析

通過變水頭滲透試驗測定了現(xiàn)場所取試樣的滲透系數(shù)，從而分析大壩浸潤面較高的原因。試驗測得的壩區(qū)各類材料的滲透系數(shù)見表1?？梢钥闯觯膲α系臐B透系數(shù)與壩殼料的滲透系數(shù)接近，表明壩體已接近于均質(zhì)壩。根據(jù)現(xiàn)行SL274—2020碾壓土石壩設(shè)計規(guī)范，均質(zhì)壩多應(yīng)用于低壩(壩高小于30m)，而發(fā)生滲漏的壩體最大壩高達到50.7m，已屬于中壩，并不適宜采用均質(zhì)壩這種壩型。而且發(fā)生滲漏的壩體是按分區(qū)壩結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，壩高較高，壩坡也較陡，并且僅是在大壩下游布置了棱體排水，雖在壩底層設(shè)置了粗砂水平排水層，但由于已被大壩下游水位淹沒，其降低壩體下游浸潤線的作用顯著減小。因此，即使庫水位為低水位的工況下，大壩浸潤面依舊較高，從而造成壩體多個斷面發(fā)生滲漏現(xiàn)象。

3有限元計算與結(jié)果分析

通過三維有限元穩(wěn)定滲流計算進一步分析正常蓄水位工況下大壩的滲流穩(wěn)定。

3.1計算模型

在對壩體平面圖和立面圖雙重控制下，經(jīng)剖分后獲得滲流計算分析區(qū)域的三維有限元計算模型，如圖5所示，共計剖分單元15510個，全部為8節(jié)點等參單元，節(jié)點17572個。其中x軸方向為壩軸線方向，y軸為上下游方向，z軸為垂直方向。模型所用壩區(qū)各類材料的滲透系數(shù)如表1所示。其中，由于水庫壩頂高程為63.5m，所以兩岸山體中的浸潤面不會高于63.5m，因此三維模型頂部的高程取至63.5m。

3.2模型驗證

選擇實測穩(wěn)定滲流期(2020年11月)的平均庫水位44.86m(該月庫水位變化幅度僅0.15m，可認為是穩(wěn)定滲流)作為上游水位，取實測下游測壓管水位(含繞壩滲流測壓管)為下游水位，其余下游壩坡按可能出逸邊界條件處理進行了實測穩(wěn)定滲流工況壩體三維穩(wěn)定滲流分析。圖6為實測穩(wěn)定滲流工況下壩體斷面的浸潤線，從圖6可以看出三維有限元穩(wěn)定滲流計算值與實測值較為符合，說明了有限元模型和計算參數(shù)的合理性。

3.3正常蓄水位工況下壩體滲流穩(wěn)定分析

正常蓄水位工況下的上游水位(59.70m)作為上游水位，取實測下游測壓管水位(含繞壩滲流測壓管)為下游水位，其余下游壩坡按可能出逸邊界條件處理，進行了正常蓄水位工況壩體三維穩(wěn)定滲流分析。圖7為正常蓄水位工況下壩體斷面浸潤線分布情況，圖8為正常蓄水位工況下斷面滲透坡降分布情況。從圖7，圖8可以看出，由于正常蓄水位比實測穩(wěn)定水位高，故其浸潤線也比實測穩(wěn)定水位更高。心墻底部的混凝土防滲墻以及墻下的防滲帷幕處依舊是滲透坡降較大的地方，同時由于水在部分壩段的下游壩坡逸出，所以在出逸部位的滲透坡降也較大，達到0.5～0.8左右，出逸部位已高于排水棱體。圖9為兩種工況下壩后浸沒情況，圖中藍色(深灰色)曲面為浸潤面，在浸潤面范圍內(nèi)的白色(淺灰色)區(qū)域為浸沒區(qū)域。由圖9可知浸沒區(qū)域主要位于壩后地勢較為低洼的地方;同時由于排水溝的作用，圖9中出現(xiàn)一條基本垂直壩軸線方向的浸沒帶，這與實際情況較為符合。通過提取浸沒區(qū)域邊界，計算實測穩(wěn)定滲流工況下浸沒區(qū)域在水平面上的投影面積(除去排水溝部分)為25328m2，計算正常蓄水位工況下浸沒區(qū)域在水平面上的投影面積(除去排水溝部分)為62061m2，正常蓄水位工況下浸沒面積較實測穩(wěn)定滲流工況增加了145%，表明正常蓄水位工況下的滲漏現(xiàn)象可能會相對嚴重。因此，建議改造壩體下游反濾排水設(shè)施或壩體增設(shè)防滲墻。

4結(jié)論

本文通過現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)合室內(nèi)滲透試驗，對某水庫心墻堆石壩低水位工況下的滲漏原因進行了分析，并通過三維有限元穩(wěn)定滲流計算，探討了壩體在正常蓄水位工況下的滲流穩(wěn)定，主要結(jié)論如下:1)心墻堆石壩心墻料的滲透系數(shù)與壩殼料的滲透系數(shù)接近，同時大壩下游排水設(shè)施排水效果較差，導致其降低壩體下游浸潤線的作用較小。因此，即使庫水位為低水位的工況下，大壩浸潤面依舊較高，從而造成壩體出現(xiàn)多處滲漏現(xiàn)象。2)正常蓄水位工況下，壩體浸潤線過高、滲透坡降較大，有可能導致下游壩坡發(fā)生滲透破壞。3)綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)、滲透試驗與數(shù)值計算結(jié)果，建議改造壩體下游反濾排水設(shè)施或壩體增設(shè)防滲墻方法，從而降低壩體的浸潤線。

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作者:吳春暉 陳曉華 丁玉堂 陸陽洋 熊國文 單位:寧?？h鎮(zhèn)鄉(xiāng)水利服務(wù)總站 寧?？h水利局 南京水利科學研究院巖土工程研究所