簡鴻福 羅志雄 冷美玲

（1.江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌 330029；2.江西省洪圖水利水電設(shè)計有限公司，江西 南昌 330029）

大壩滲流安全分析的目的是復(fù)核原設(shè)計的滲流控制措施和當(dāng)前的實際滲流狀態(tài)能否保證大壩按設(shè)計條件安全運行。通過土壩原型滲流監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，能夠了解壩體內(nèi)水體滲透壓力的變化趨勢，在一定程度上反演出壩體工程質(zhì)量、防滲和排水反濾效果等。相關(guān)專家學(xué)者在大壩監(jiān)測工程中積累了大量實踐經(jīng)驗，形成了比較完善的理論體系。

本文以江西省廬山市觀音塘水庫為例，通過收集大量的測壓管監(jiān)測數(shù)據(jù)，構(gòu)建壩內(nèi)巖土結(jié)構(gòu)分區(qū)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)定合理的邊界條件，利用運行期上下游水位與測壓管水位間的關(guān)系反演出防滲體等各巖土層的滲透系數(shù)，再以此為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計工況下的滲流穩(wěn)定計算，復(fù)核壩體結(jié)構(gòu)在設(shè)計工況下是否處于安全狀況，分析大壩目前的安全狀態(tài)以及應(yīng)關(guān)注的主要問題，對今后的運行管理提出合理的建議。

1 工程概況

江西省廬山市觀音塘水庫壩址位于博陽河水系長壟澗上游，集水面積4.88km2，外引入庫流量4.23m3/s，水庫總庫容1122萬m3，樞紐工程主要建筑物包括大壩、溢洪道、輸水隧洞、引水建筑物等，灌溉面積1.7萬畝，是一座以灌溉為主，兼有防洪、供水等綜合效益的中型水庫。

大壩原設(shè)計為黏土斜墻壩，2009年加固時增設(shè)了混凝土防滲心墻，經(jīng)地質(zhì)勘探查明，斜墻土體與壩體土物理力學(xué)性質(zhì)接近，大壩實際為均質(zhì)土壩。壩頂高程84.70m，最大壩高23.9m，壩頂寬5.0m，壩頂長592.0m，壩頂設(shè)混凝土路面。上游壩坡為混凝土預(yù)制塊護(hù)坡，坡比為1∶3.3，高程67.00m以下采用拋石固腳；下游壩坡為草皮護(hù)坡，坡比為1∶2.5，在高程76.00m處設(shè)2.0m寬馬道，在高程68.00m處設(shè)5.0m寬上壩公路。壩腳設(shè)貼坡排水體，排水體頂高程66.50m，頂寬1.5m。

為掌握壩的運行狀態(tài)、檢驗大壩安全性能和分析壩體內(nèi)部滲流情況，該工程在壩體中布置了9根測壓管，分別在樁號0+150、0+300及0+378三個斷面，每個斷面在下游壩坡高程83.90m、76.50m和68.00m處各布設(shè)1根。水庫大壩平面布置、壩體結(jié)構(gòu)及測壓管橫斷面見圖1、圖2。

圖1 大壩及觀測設(shè)施平面布置

圖2 壩身測壓管橫剖面布置

2 監(jiān)測資料分析

經(jīng)靈敏度檢測發(fā)現(xiàn)，測壓管均較靈敏，淤積深度較小，情況較好。大壩于2010年進(jìn)行除險加固之后運行中未發(fā)現(xiàn)異常滲流現(xiàn)象，現(xiàn)場檢查監(jiān)測結(jié)果顯示壩腳滲漏量為0.183L/s，滲漏量較小。

選取位于最大壩身處的0+300斷面為主要分析對象，根據(jù)2016年1月8日—2018年12月19日監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制壩體測壓管水位與庫水位變化過程線，見圖3，其中2016年2月6日—4月9日及2018年10月21日—12月19日庫水位分別相對穩(wěn)定在75.92～76.16m、75.90～76.18m，本次分別選取庫水位相對穩(wěn)定時段的2016年4月9日庫水位76.16m監(jiān)測數(shù)據(jù)及2018年12月19日庫水位76.18m監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制滲流壓力斷面圖，見圖4。

圖3 0+300斷面測壓管水位過程線

圖4 斷面0+300壩體監(jiān)測橫斷面滲流壓力分布圖（3個測壓管水位連線）

由圖4可知:該斷面測壓管水位變化趨勢與庫水位基本一致，但測壓管水位變化幅度較庫水位小，變化時間靠后，說明測壓管水位具有滯后性；2016年4月9日及2018年12月19日P2-1測壓管與庫水位間水頭差分別為6.96m、6.97m，消殺位勢分別為52.89%、52.88%，說明此處防滲墻效果較好，能消殺壩體內(nèi)大部分的位勢；下游的P2-3測壓管水位比P2-2測壓管水位降低較多，符合均質(zhì)土壩浸潤線規(guī)律。但從2016年至2018年，在上游庫水位較接近的情況下，下游的P2-3測壓管管內(nèi)水位逐漸上升，表明經(jīng)過多年的運行之后，壩內(nèi)部分土體滲透系數(shù)發(fā)生了變化，和原設(shè)計中的參數(shù)不一致，需作進(jìn)一步分析。

3 巖土滲流系數(shù)反演

根據(jù)現(xiàn)場采集壩體測壓管監(jiān)測數(shù)據(jù)及以上兩個選定的分析過程中的穩(wěn)定庫水位，通過有限元軟件Geostudio進(jìn)行反演分析計算，通過構(gòu)建壩體結(jié)構(gòu)分區(qū)計算模型，以在穩(wěn)定滲流情況下的測壓管實測水面線為參考，通過不斷調(diào)整不同巖土分區(qū)的地質(zhì)參數(shù)，找到能夠和實測水面線耦合的計算參數(shù)，確定為該壩體結(jié)構(gòu)相應(yīng)的地質(zhì)參數(shù)取值。再以此為基礎(chǔ)，計算出正常蓄水位、設(shè)計洪水位和校核洪水位等高水位時大壩的滲流穩(wěn)定性，判定大壩安全性能。詳見表1、表2和圖5。

表1 0+300斷面測壓管實測與有限元對比計算結(jié)果

圖5 樁號0+300斷面滲流計算斷面圖

根據(jù)表1和表2計算結(jié)果，測壓管計算水位與實測水位基本一致，浸潤線趨勢相同，反演計算參數(shù)較為合理。

分析顯示:大部分參數(shù)均與設(shè)計參數(shù)一致，下游堆填體（塊石和砂土混合料）設(shè)計施工階段和運行初期空隙較大，滲流通道較多，滲透系數(shù)也較大，多年運行后，該巖土結(jié)構(gòu)在水力和重力作用下，不斷沉降和固結(jié)，水力攜裹部分黏性材料逐漸填充空隙，阻斷滲流通道，導(dǎo)致滲漏系數(shù)減小，排水作用降低，致使浸潤線后部稍有抬升，大壩下游出逸點升高。

4 壩體滲流穩(wěn)定計算

本工程下游為草皮護(hù)坡，若在高水位運行時浸潤線出逸點高于排水體頂高程，水流將沖刷下游坡面，降低下游壩坡穩(wěn)定性，對大壩不利。本次根據(jù)反演壩段各分區(qū)滲透計算參數(shù)，通過建立數(shù)學(xué)模型，采用Geostudio軟件中的SEEP/W模塊分析壩體滲透穩(wěn)定性。計算出正常蓄水位、設(shè)計洪水位和校核洪水位等高水位工況下的滲流狀況，繪制壩體流網(wǎng)圖，見圖6、圖7、圖8，各工況下大壩壩體內(nèi)最大滲透坡降值和滲流量見表3。

表3 0+300斷面加固后滲流穩(wěn)定計算結(jié)果

圖6 0+300斷面正常蓄水位81.97m穩(wěn)定滲流計算成果

圖7 0+300斷面設(shè)計洪水位82.89m穩(wěn)定滲流計算成果

圖8 0+300斷面校核洪水位83.36m穩(wěn)定滲流計算成果

5 結(jié) 語

a.土壩運行多年后，壩體各分區(qū)在沉降及水力作用下，巖土孔隙和細(xì)粒含量會發(fā)生局部重分布，部分設(shè)計滲流參數(shù)會發(fā)生變化，在復(fù)核計算土壩滲流安全時需調(diào)整巖土滲透系數(shù)，通過監(jiān)測資料反演，耦合出與實測值一致的參數(shù)對計算尤為重要。

b.本工程在長期水力作用下，大壩下游壩腳堆填體之間的滲流通道逐漸被細(xì)顆粒填充，堆填體滲透系數(shù)逐年減小，通過反演耦合，當(dāng)前水位下的壩體浸潤線與測壓管實測水位一致情況時，該區(qū)巖土滲流系數(shù)僅為設(shè)計時r 1/4，排水作用下降；但就目前情況而言，該區(qū)滲流系數(shù)遠(yuǎn)大于壩體填土的滲透系數(shù)（為壩體土滲透系數(shù)的20倍），仍處于安全滲流狀況。

c.滲流監(jiān)測資料分析結(jié)果顯示壩體內(nèi)整體滲流較穩(wěn)定，測壓管水位變化趨勢基本符合土壩滲流特性，混凝土防滲墻消殺水頭明顯，防滲效果較好，滲漏量較小。

d.通過本次基于測壓管實測資料反演的滲流計算可知，在各種工況下大壩各分區(qū)材料及下游壩坡出逸坡降小于允許滲透坡降，滲流量和浸潤線大幅降低，滲流穩(wěn)定滿足要求；經(jīng)反演計算，下游側(cè)堆填體滲透系數(shù)較設(shè)計時有所減小，排水能力下降，在今后運行過程中應(yīng)加強(qiáng)觀測。