渭南市湭河水庫浸潤線及滲流穩定論證研究

蘇平定

(渭南市水利水電勘測設計院,陜西 渭南 714000)

0 引言

湭河水庫壩址位于渭南市臨渭區向陽辦蔣家村南1.0 km處,北距渭南市主城區約4 km,距離渭南市城郊2.0 km,壩址控制流域面積224 km2,是一座以城市供水、農業灌溉為主兼有防洪功能的中型水利樞紐工程,水庫總庫容3 028萬 m3,設計年供水量1 490萬 m3;湭河水庫1995年成為渭南市臨渭區供水水源地,水源類型為地表水,水源級別為市級,目前主要向陜西省渭河重化有限公司及渭南市高新區渭河潔能有限公司兩個公司提供企業生產與生活用水,年供水量1 367萬 m3。湭河水庫對渭南市社會經濟發展發揮重要作用,考慮到壩址距渭南市主城區較近,是典型的城市頭上“一盆水”,本文從壩體滲流穩定角度分析了現狀大壩的結構安全,為渭南市主城區防洪安全提供理論支撐。

1 工程概況

水庫樞紐工程由大壩、溢洪道、東放水設施、西放水設施及排沙底洞五部分組成。

2 地質勘察相關結論

壩址區位于湭河下游,河流走向在此近于南北向,河谷形態呈寬敞的“U”型谷,谷底寬度約290 m,高程約377 m,東、西兩岸為黃土塬區。河床兩岸發育有一、二級基座階地。左、右岸壩肩處分別發育1個大型黃土滑坡體,分布于壩頂高程以上,目前處于穩定狀態。

工程區Ⅱ類場地地震動峰值加速度α=0.20 g,特征周期T=0.40 S,相應地震基本烈度為Ⅷ度。

根據現場壩體水位觀測及監測井水文監測數據,在庫水位抬升或下降1米時,浸潤線變化幅度不大,但在2021年秋季的暴雨工況下,浸潤線抬升較明顯。通過現場調查未發現壩后排水棱體有明顯滲水、泉水溢出現象,壩體防滲性能良好。

培厚體填筑土(2009年)的干密度ρd=1.36～1.75 g/cm3,填筑質量不均一,存在低密度區;原壩體填筑土(1959年)的干密度ρd=1.51～1.80 g/cm3,填筑質量不均一,存在低密度區。壩體土填筑料的物理力學建議值如表1。

表1 壩體土填筑料的物理力學建議值

3 大壩浸潤線觀測

按照規范規程要求水庫在運行管理中建立觀測制度,按制度對水庫運行過程中大壩及其它建筑物的工情進行觀測,并對資料及時進行分析整理歸檔。依據已歸檔大壩浸潤線觀測資料,結合地質鉆孔資料,地質勘察單位繪制了兩組大壩實際浸潤線圖,浸潤線觀測時間分別為2022年2月20日和2022年3月10日,對應庫水位分別為404.67 m、403.44 m,實際浸潤線分布如圖1。

圖1 實際浸潤線分布圖

4 現狀壩體滲流參數復核

結合實際浸潤線分布圖,復核地質勘察報告提供的各地層滲透系數值合理性,現狀壩體滲流參數復核庫水位選用403.44 m,與觀測庫水位數據一致。

4.1 計算工況

根據《碾壓式土石壩設計規范》(SL274-2020),結合運行方式,本次滲流穩定分析計算工況為:穩定滲流期,上游庫水位為403.44 m,下游水位376.24 m。

4.2 計算參數

結合壩體分區進行指標選取,滲透系數考慮各填筑材料的各項異性,滲透系數采用平均值。棱體及壩基滲透指標依據地勘資料選取,具體滲流穩定計算參數成果見表2。

表2 滲流穩定計算參數成果表

4.3 典型斷面選擇

依據規范,本次選擇最大壩高斷面作為滲流分析的典型斷面,大壩最大斷面樁號為0+300。

4.4 滲流計算方法

計算方法采用滲流場數值分析有限單元法,按照河海大學工程工學研究所研制的水工結構有限元分析系統《AutoBank 7.7》計算程序具體分析計算?，F狀壩體材料分區見圖2,現狀壩體有限元網格分區見圖3,理論計算浸潤線圖見圖4。

圖2 現狀壩體材料分區圖

圖3 現狀壩體有限元網格分區圖

圖4 理論計算浸潤線圖

經分析,理論計算浸潤線在截滲槽下游降落至壩基位置,管理單位觀測浸潤線在褥墊36 m處降落至壩基位置,兩者差距較大。說明兩點:其一壩基砂卵石層滲透系數2.3×10-2cm/s不能客觀反映壩基砂卵石滲透系數;其二褥墊前端36 m存在淤塞情況。結合以上問題,本次通過現狀觀測浸潤線反演確定壩基砂卵石層及褥墊前端36 m滲透系數,經計算壩基砂卵石層及褥墊前端36 m滲透系數采用10-6cm/s能夠客觀反映現狀浸潤線分布。反演浸潤線見圖5。

圖5 反演浸潤線圖

5 現狀壩體滲流穩定分析

5.1 計算工況

結合實測浸潤線上升較快及洪水歷時較長(設計洪水歷時26 h,校核洪水歷時23 h),從安全角度出發,本次考慮洪水位形成穩定滲流工況;排沙洞運行期設計流量為40 m3/s,依據庫容曲線,每天水位降幅1.0～5.0 m,本次分別按1.0 m、4.0 m計算降落期。

根據《碾壓式土石壩設計規范》(SL274-2020),結合運行方式,本設計滲流分析計算工況為:

(1)穩定滲流期(上游水位為正常蓄水位405.1 m,下游水位376.24 m);

(2)穩定滲流期(上游設計洪水位406.97 m,下游水位376.24 m);

(3)穩定滲流期(上游校核洪水位408.80 m,下游水位376.24 m);

(4)洪水前應急降落期(由正常蓄水位405.1 m降至404.1 m),降幅1.0 m;

(5)排沙洞正常運用降落期(由蓄水位398.0 m降至淤積面393.0 m),降幅5.0 m。

5.2 計算參數

滲流計算滲透系數采用大值平均值,降落期滲透系數采用小值平均值,壩基砂卵石層及褥墊前端36m依據反演參數,其他地層同表2,具體滲流穩定計算參數成果見表3。

表3 滲流穩定計算參數成果表

5.3 典型斷面選擇及滲流計算方法

典型斷面同現狀壩體滲流參數復核。

5.4 滲流計算

滲流計算方法同現狀壩體滲流參數復核。

現狀實測模擬正常蓄水位浸潤線位于正常蓄水位405.1 m反演浸潤線與設計洪水位406.97 m反演浸潤線之間,局部高于設計洪水位406.97 m反演浸潤線,各工況反演浸潤線與實測浸潤線位置圖見圖6,大壩滲流分析成果圖較多這里不在展示。

圖6 各工況反演浸潤線與實測浸潤線位置圖

5.5 滲流計算結果

計算成果見表4。

表4 壩體填土滲流計算成果表

從表4可以看出,壩體整體滲透比降小于允許滲透比降,滿足規范要求。僅存在局部高于允許滲透比降,不影響大壩整體滲流穩定。

6 結語

土石壩壩體滲流穩定分析是新建改建水庫樞紐工程設計的控制性環節,是壩體能否經受正常運用及非常運用的定量化分析手段。本文依據水工結構有限元分析系統,通過反演現狀土石壩壩體各層土料滲透系數,合理確定關鍵土層的滲透系數,分析認為現狀大壩在穩定滲流期及非常運用條件Ⅰ下,壩體滲流穩定滿足規范要求,壩體滲流穩定安全,總結如下:

(1)大中型水庫樞紐工程土石壩必須定期開展滲流浸潤線觀測,為管理運行及除險加固提供詳實資料準備;小型水庫樞紐工程土石壩應布置浸潤線監測設施,為浸潤線監測提供可能。

(2)地質勘察工作報告提供的推薦滲透系數可能存在不客觀的問題,這個應得到地質工作者重視,通過優化操作流程,減少試樣擾動,盡量詳實的反應各地層運行實際。

(3)大中型水庫除險加固設計應該把浸潤線反演作為一個標準程序,驗證各工況浸潤線位置及各層滲透系數,為客觀評價大壩穩定提供支撐。