高 杰， 談葉飛， 張 凱， 張建飛

(1.陜西省水資源與河庫調(diào)度管理中心，西安 718900；2.水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院，南京 210029；3.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210029；4.李家梁水庫管理處，榆林 719000)

水庫大壩是水利工程中最為常見的工程形式，是保障水庫安全運行的重要設施[1-3]。根據(jù)筑壩材料的不同，大壩的性質(zhì)也存在顯著差異。在中國西北地區(qū)，由于戈壁沙漠等地質(zhì)環(huán)境的存在，許多水庫因地制宜，采用當?shù)厣白舆M行筑壩。由于砂體本身的滲透性較大，壩體松軟，在工程運行中更容易出現(xiàn)滲透破壞等現(xiàn)象[4]，嚴重影響水庫大壩的安全運行，因此有必要對此類砂壩的滲漏情況進行典型計算分析，為類似工程提供安全依據(jù)[5-8]。李家梁水庫位于陜西省榆林市西北40 km處的孟家灣鄉(xiāng)曹家梁村，工程建在無定河流域榆溪河右岸一級支流的圪求河下游河段，距離榆林市區(qū)僅40 km，總庫容2 340×104m3，是一座以工農(nóng)業(yè)供水為主，兼顧防洪、養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫(圖1)。大壩壩型為土工膜防滲均質(zhì)砂壩，最大壩高25 m，壩頂高程1 170.00 m，防浪墻頂高程1 171.20 m，壩頂寬8.0 m，壩頂長874 m，原上、下游壩坡坡比自上而下為1∶3.00和1∶3.50，上游高程1 158.00 m、下游高程1 160.00 m變坡處各設置一條寬3.0 m馬道。復合土工膜鋪設在上游壩坡，上覆厚10 cm現(xiàn)澆混凝土板護坡，壩前及兩岸也鋪設復合土工膜，向上游延伸100 m，下游壩坡采用植物護坡。李家梁水庫自2006年蓄水運行以來，壩后出現(xiàn)多處不同程度的集中滲流問題(圖2)。雖然期間進行過工程處理，但目前壩后排水溝內(nèi)，特別是在左岸(樁號0+331)處仍可見明顯的集中滲漏現(xiàn)象，一旦水位上升，仍然有砂冒現(xiàn)象，逐漸掏空壩體及壩基，破壞大壩結(jié)構(gòu)，水庫一旦出現(xiàn)問題，將嚴重影響下游榆林市人民群眾生命財產(chǎn)安全。此砂壩的結(jié)構(gòu)及布置形式在當?shù)厣皦沃芯哂写硇?，許多類似砂壩也都存在相似的滲流破壞現(xiàn)象，因此，急需對李家梁大壩滲流安全進行全面分析，為大壩除險加固提供技術(shù)支撐[9-11]，所得成果也將對其他類似大壩的安全運行提供參考。

圖1 李家梁水庫大壩全景

圖2 壩腳集中滲漏點

1 工程地質(zhì)條件

大壩為均質(zhì)砂壩，壩基處理時，僅清除雜草和表面松土，壩基第四系松散積砂類土厚度大于70 m，下部為不連續(xù)砂壤土層。

2 壩體填筑及滲流監(jiān)測

大壩采用兩岸風積沙丘或沙梁以水力沖填形式筑壩，壩基處理時清除了雜草和表面松土。上游壩坡采用土工膜防滲，混凝土護坡，厚度10 cm，下游壩坡采用植物護坡。壩體填筑料為兩岸風積砂土，要求清除料場開挖區(qū)內(nèi)的樹木、灌木、農(nóng)作物、雜草、垃圾及地表上的其他堆積物。料場開挖后的邊坡坡度不陡于1∶1.50。填筑料控制干密度為1.58 g/cm3，含水率為8%。經(jīng)檢測壩填土和壩基土力學指標見表1。

為降低壩體內(nèi)部浸潤線，減小滲漏破壞，對壩體反濾進行了重建，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

前期埋設的21支滲壓計均損壞無法觀測，管理單位于2015年11月補埋了9支，大壩最大斷面三支，編號P1～P3；左岸繞壩滲漏監(jiān)測三支，編號P10、P14和P15；右岸繞壩滲漏監(jiān)測三支，編號P17、P19和P21。滲壓計觀測至今，頻次為1次/月[8]。壩體滲壓汁埋設位置如圖4所示。

表1 壩基土體物理力學指標建議值

圖3 壩體下游反濾體結(jié)構(gòu)圖

圖4 壩體滲壓計埋設位置

3 滲流安全分析

3.1 相關(guān)性及斷面浸潤線分析

將現(xiàn)有的9個測點觀測數(shù)據(jù)與庫水位變化進行相關(guān)性擬合可知，結(jié)果如圖5所示，測點水頭變化與庫水位有著較強的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)基本都在0.8以上，觀測數(shù)據(jù)能反映出左右岸均存在一定程度的繞滲。

選取0+300斷面(P1、P2和P3組成的斷面)作為典型斷面，選用典型日(2017年10月3日)的庫水位(1 164.5 m)及滲壓計測值繪制壩體浸潤線，并計算位勢。典型斷面浸潤線如圖6所示，葉300斷面位勢見表2。

位勢計算公式為

(1)

圖6 P1、P2和P3斷面典型日浸潤線

式(1)中：αi為第i個滲壓計的位勢，%；H1為庫水位，m；H2為下游水位，m；Hi為第i個滲壓計實測水位，m。

由圖6和表2可知：

(1)浸潤線經(jīng)過壩前防滲土工膜后明顯降低，自上游向下游各支滲壓計位勢降幅依次為68.7%、76.4%和87.2%，水頭削減明顯，表明目前壩體土工膜防滲性能較好，大壩壩體浸潤線分布規(guī)律符合一般土工膜防滲砂壩規(guī)律。

(2)排水體附近浸潤線明顯降低，排水效果明顯。

表2 0+300斷面位勢統(tǒng)計表

3.2 滲流有限元反演

結(jié)合監(jiān)測資料成果，建立了符合工程實際運行條件的有限元模型，對大壩各特征水位下滲流場進行了模擬。

3.2.1 計算斷面

選擇最大斷面作為滲流有限元分析典型斷面，典型斷面材料分區(qū)如圖7所示。壩基底部存在滲透系數(shù)相對較小的壤土夾層，但由于其在壩址部位埋深較深(高程約1 106 m)且分布不連續(xù)，從偏安全角度考慮，將壩基作為均一材料，并根據(jù)實測浸潤線資料進行參數(shù)調(diào)整，使其更接近實際情況。根據(jù)運行表現(xiàn)情況，以排水渠底板高程作為下游邊界，上游面及壩前100 m范圍內(nèi)的復合土工膜作為不透水邊界進行有限元模擬。

圖7 有限元計算模型及網(wǎng)格

3.2.2 初始滲透系數(shù)及調(diào)參

前期勘察和后期壩后滲漏處理階段所得材料分區(qū)滲透系數(shù)差別較大，考慮到后期滲漏處理時，大壩已經(jīng)建成運行多年，對壩體壩基再次進行勘察采樣將破壞其完整性，對安全產(chǎn)生不利影響，因此后期采樣選擇了壩下游鄰近地段，但其采樣點附近壩體和壩基已出現(xiàn)滲透破壞，且勘察取樣深度小于3 m，其結(jié)果無法正確反映材料的真實特征。因此，本次計算采用前期勘察階段的材料系數(shù)作為初始參數(shù)，詳見表3。

考慮到大壩運行中的自然沉降壓縮以及壩基中含有較小滲透系數(shù)的壤土夾層等因素，經(jīng)多次模擬計算逼近，調(diào)整后的材料參數(shù)見表4。

利用庫水位1 164.50 m和1 164.00 m時，0+300斷面的觀測水位作為目標值進行了對比和調(diào)參計算，相應的計算結(jié)果及對比見表5。

表3 大壩材料分區(qū)滲透系數(shù)初始取值表

表4 大壩材料分區(qū)滲透系數(shù)調(diào)整取值表

表5 大壩滲流調(diào)參前后計算成果與觀測結(jié)果比較表

對比調(diào)參前后浸潤線計算位置與實測位置，調(diào)整后的參數(shù)所得計算結(jié)果與實測值擬合更好，利用此套參數(shù)的計算結(jié)果比原參數(shù)更接近實際，因此利用此套參數(shù)對各工況進行了復核計算。

3.3 特征水位下滲流場計算分析

3.3.1 計算工況

根據(jù)工程運行的特征水位選取計算工況，開展穩(wěn)定滲流場計算，具體見表6。

表6 滲流場計算工況表

圖8 大壩典型斷面水頭等值線分布及坡腳處矢量圖

3.3.2 滲流有限元計算成果

(1)允許滲透坡降。根據(jù)勘察結(jié)果，從大壩破壞現(xiàn)狀及安全角度考慮，壩基土允許坡降為0.125，壩體土允許坡降為0.123。

(2)滲流有限元計算成果。大壩計算斷面各工況下水頭等值線如圖8所示，滲流要素統(tǒng)計成果見表7。

由圖8和表7可知：

(1)各計算工況下大壩浸潤線分布符合一般規(guī)律，壩前防滲及排水效果明顯。

(2)各計算工況下排水渠底部滲透坡降在0.189～0.241，大于壩基土允許滲透坡降0.125。該處設有反濾，能在一定程度上提高允許坡降，但壩基在前期運行中已受到滲透破壞，且由于受左岸繞滲影響會提高地下水流速，長期運行下，細顆粒仍會向渠底移動形成挾砂出逸。

表7 壩腳渠底滲透坡降統(tǒng)計表

4 結(jié)論

通過對李家梁水庫砂壩的觀測資料分析，并利用二維有限元法對典型斷面開展各工況條件下的滲流計算，得到以下結(jié)論。

(1) 觀測資料分析表明，目前條件下大壩壩體防滲系統(tǒng)滿足運行要求，但左岸地下水位高，繞滲情況較嚴重。大壩左壩肩及壩基多個深度范圍內(nèi)存在中砂夾層是造成壩后滲漏的主要原因，此外本工程屬水墜砂壩，水力沖填過程中是由左岸至右岸輸沙的，在輸沙過程中，粗顆粒先沉積在左岸，總體上左岸壩體滲透性大于右岸，也是造成左岸滲漏情況嚴重的原因之一。

(2) 各計算工況下排水渠底部滲透坡降在0.189～0.241，大于壩基土允許滲透坡降0.125。由于壩基在前期運行時已受滲透破壞，而后期滲漏處理時并未對破壞的壩基內(nèi)部滲漏通道進行修復，特別是在左岸，由于中砂夾層的存在，滲透性強、地下水位高、繞壩滲漏量大，當庫水位進一步抬升時，壩后涌水冒沙情況會加劇，出逸處的滲透坡降不滿足穩(wěn)定要求。

綜上所述，目前李家梁水庫大壩存在嚴重的滲流安全問題，需限制水位運行，采取工程措施解決集中滲漏和滲透坡降過大問題，保障下游安全?？紤]到我國西北地區(qū)廣泛存在的防滲膜防滲的砂壩，其結(jié)構(gòu)和筑壩材料性質(zhì)類似，局部出現(xiàn)滲透坡降過大現(xiàn)象是導致壩體受損破壞的主要因素，利用現(xiàn)有觀測資料進行滲流分析和計算，并根據(jù)結(jié)果綜合判斷壩體的滲流安全性是保障此類水庫大壩安全運行的有效方式。