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      基于現(xiàn)場檢測參數(shù)反演的大壩滲流安全分析

      2015-12-21 05:32:18李宏沖李萬里劉灝懿
      水利與建筑工程學(xué)報 2015年5期
      關(guān)鍵詞:溢流壩段砌石壩基

      張 軍,李宏沖,李萬里,劉灝懿,李 森,劉 威

      (1.南陽市水利建筑勘測設(shè)計院,河南 南陽473000;2.河南靈捷水利勘測設(shè)計研究有限公司,河南 南陽473000)

      1 工程概況

      水簾水庫位于淮河源頭支流西小河中游,壩址距桐柏縣城4 km,是一座以防洪為主,兼有旅游、供水、養(yǎng)殖于一體的綜合性水利樞紐工程[1-2]。水庫控制集水面積6.98 km2,總庫容160萬m3,為小(1)型水庫。考慮距離桐柏縣城較近,按照Ⅲ等3級建筑物設(shè)計。水庫設(shè)計洪水位217.60 m,校核洪水位218.30 m,興利水位215.50 m。大壩為漿砌石重力壩,壩頂全長132.0 m,壩頂高程 219.10 m,最大壩高34.1 m。水簾水庫工程布置見圖1。

      由于大壩上游防滲面板裂縫且壩體漿砌石填筑質(zhì)量較差,水庫目前存在的主要問題是:排水廊道底板開裂冒水;壩肩貫穿性裂縫;壩頂、廊道裂縫嚴(yán)重等。鑒于水庫存在的上述問題和缺乏觀測數(shù)據(jù)資料等情況,根據(jù)其工程地質(zhì)條件結(jié)合現(xiàn)場檢查情況,對大壩進(jìn)行滲流安全性分析是必要的,以解決大壩及壩基的滲流安全及滲透穩(wěn)定性問題。

      圖1 水簾水庫工程布置圖

      2 大壩現(xiàn)狀

      2.1 壩基工程地質(zhì)條件

      壩址區(qū)為低山區(qū),兩岸山脊走向近南北,與河流方向一致,高程170 m~320 m,左岸山體雄偉寬厚,山坡坡度35°~50°,沖溝不甚發(fā)育。右岸山體較單薄,山坡坡度30°~45°,大壩下游發(fā)育有一沖溝,沿東—東南方向切割右岸山體,沖溝深約5.0 m。壩軸線方向300°,河流方向25°,河流與壩軸線交角85°;河床寬約20 m,高程185 m左右;河谷形態(tài)呈“V”型。河床基巖完整,壩基巖性為黑云二長花崗片麻巖,水庫修建時清基至微風(fēng)化狀態(tài)[3]。

      壩址區(qū)及其附近發(fā)現(xiàn)3條斷層,寬度和延伸長度都不大。F1斷層:位于右壩段,位置較高,長約100 m,寬度7.0 m ~8.0 m,膠結(jié)好,節(jié)理以傾向南東為主,屬中高傾角,不透水,不起滑移控制作用。斷層產(chǎn)狀:走向 160°,傾向 70°,傾角 52°;F4 斷層:位于左壩段,長約50 m,寬7.0 m~8.0 m,傾向下游,基本與壩軸線垂直,屬高傾角,充填有綠泥石,膠結(jié)好,根據(jù)原鉆孔壓水試驗(yàn),為弱透水下帶,斷裂體呈透鏡體狀,不連續(xù),有臨空面,對壩體有影響。斷層產(chǎn)狀:走向 18°,傾向 108°,傾角 72°;F2 斷層:位于大壩下游,長約 50 m,寬 4.0 m ~5.0 m,傾向下游,與壩軸線大體平行,距離大壩約300 m,對大壩基本沒有影響。斷層產(chǎn)狀:走向265°,傾向355°,傾角 55°。

      壩址區(qū)主要有以下3組:(1)走向 SW210°~230°,傾向 NW300°~320°,傾角50°~60°;(2)走向SE113°~144°,傾向 NE23°~54°,傾角 60°~75°,該組為巖層層面裂隙;(3)走向 SE144°~172°,傾向NE54°~82°,傾角 60°~70°。以上三組裂隙,第(2)組最發(fā)育,第(1)組次之,第(3)組則發(fā)育較少。經(jīng)統(tǒng)計,范圍為1.0 m×1.0 m內(nèi)。第(2)組發(fā)育有10條~22條,第(1)組發(fā)育有7條~13條,第(3)組發(fā)育有3條~5條。其裂隙多數(shù)呈閉合狀,無充填物,且延伸不遠(yuǎn)。其中,走向相同、傾向相反的第(1)組和第(3)組裂隙構(gòu)成“X”型結(jié)構(gòu)面,把巖體切割成“V”字型槽,而第(2)組與第(3)組裂隙則構(gòu)成正方形或不規(guī)則的正方形結(jié)構(gòu)面。

      壩址區(qū)地下水按埋藏條件分為:第四系全新統(tǒng)松散層中的孔隙潛水,接受庫水補(bǔ)給,儲量較豐富?;◢徠閹r中的基巖裂隙水,右岸山體沖溝中有裂隙水滲出,常年不干,高出河床約20 m,基巖裂隙水補(bǔ)給河水。

      2.2 大壩結(jié)構(gòu)情況

      2.2.1 混凝土結(jié)構(gòu)

      壩頂、防浪墻及上游防滲面板為混凝土結(jié)構(gòu),其中上游防滲面板厚度為0.5 m~1.8 m,面板內(nèi)配置縱、橫向鋼筋,鋼筋直徑為8 mm,間距為30 cm,面板與壩體之間采用直徑14 mm的錨固筋連接,防滲面板豎筋插入基礎(chǔ)底板0.4 m,并與壩體基礎(chǔ)的混凝土防滲墊層連成整體。

      2.2.2 漿砌石結(jié)構(gòu)

      大壩除壩頂、防浪墻、上游防滲面板及溢流面板等以外為漿砌石結(jié)構(gòu),下游側(cè)壩面在216.00 m~219.10 m高程范圍內(nèi)為鉛直段,在216.00 m高程以下為斜坡段,坡度為1∶0.8。下游側(cè)漿砌石壩面存在砂漿脫落、砌石松動現(xiàn)象,致使壩面雜草叢生。根據(jù)原有資料,大壩在修建時采用水泥砂漿砌筑。根據(jù)本次勘察所取得的地質(zhì)資料[3],壩體砌石多呈弱—微風(fēng)化,少量為強(qiáng)風(fēng)化,砌石之間有少量的砂漿充填,可見不規(guī)則的相互連通的空洞,砂漿中水泥含量很少,膠結(jié)差,砂漿呈松散的顆粒狀。采用探坑稱重及覆膜注水法測得壩體漿砌石的密度為1.979 t/m3,小于設(shè)計值2.2 t/m3,壩體填筑質(zhì)量差。

      2.3 滲漏情況

      2.3.1 壩基滲漏情況(含繞壩滲漏)

      壩址區(qū)河谷形態(tài)呈“埃幀北型,河谷兩側(cè)基巖裸露。大壩壩基由左壩肩、河槽段及右壩肩組成,其地層巖性均為黑云二長花崗片麻巖,建壩時已清基至微風(fēng)化狀態(tài),壩基巖體較完整,其中左壩肩壩基巖體裂隙較發(fā)育,巖石透水率 0.80 Lu ~2.70 Lu,微透水—弱透水下帶;河槽及右壩肩壩基巖體裂隙不發(fā)育,巖石透水率 0.75 Lu 和 0.90 Lu ~2.10 Lu,微透水—弱透水下帶,壩基滲漏及繞壩滲漏輕微。

      2.3.2 壩體滲漏情況

      壩體填筑材料為漿砌石,對壩體進(jìn)行了鉆孔取樣及14段壓水試驗(yàn),壓力表均不起壓,壩體透水率大于100 Lu,屬強(qiáng)透水,壩體滲漏情況嚴(yán)重。

      綜上,大壩滲漏以壩體滲漏為主,滲漏嚴(yán)重;壩基滲漏及繞壩滲漏輕微。

      3 大壩滲流分析

      由于現(xiàn)有地質(zhì)資料不足和缺少滲流監(jiān)測資料,無法建立三維數(shù)學(xué)計算模型,因此大壩滲流計算采用二維有限單元法[4-15]。根據(jù)大壩的資料,分別選取非溢流壩段和溢流壩段最大斷面作為典型斷面進(jìn)行有限元滲流分析。典型斷面見圖2。

      圖2 典型斷面

      3.1 計算模型、參數(shù)及工況

      3.1.1 計算模型

      根據(jù)大壩非溢流壩段和溢流壩段最大斷面形狀,建立滲流二維分析有限元模型如圖3所示。模型計算范圍為:X方向?yàn)轫樅酉?,以壩軸線為原點(diǎn),指向下游為正,上游壩踵以上和下游壩趾以下均截取約2倍壩高;Z方向?yàn)榇怪毕颍蛏蠟檎愿叱虨樽鴺?biāo)。

      圖3 典型斷面有限元網(wǎng)格圖

      3.1.2 計算參數(shù)

      根據(jù)水庫觀測數(shù)據(jù)(庫水位214.00 m時,背水坡滲漏量34 L/s)及現(xiàn)場檢測情況對漿砌石壩各材料分區(qū)滲流參數(shù)進(jìn)行反演,并參考相關(guān)文獻(xiàn)及類似工程,最終滲流參數(shù)選取如表1所示。

      表1 大壩各材料分區(qū)滲透參數(shù)反演值

      3.1.3 計算工況

      根據(jù)水庫實(shí)際情況及大壩結(jié)構(gòu)分析的需要,選取設(shè)計和校核兩種工況對非溢流壩段壩體和壩基滲流性態(tài)及壩基揚(yáng)壓力進(jìn)行計算分析:

      (1)設(shè)計工況:設(shè)計洪水位217.60 m,下游河床相應(yīng)水位186.00 m,壩體形成穩(wěn)定滲流。

      (2)校核工況:校核洪水位218.30 m,下游河床相應(yīng)水位188.00 m,壩體形成穩(wěn)定滲流。

      3.2 滲流計算成果分析

      采用上述計算模型和滲透參數(shù),計算得到非溢流壩段和溢流壩段最大斷面在設(shè)計和校核工況下壩體和壩基的滲流場,經(jīng)分析整理,壩體和壩基的位勢分布如圖4(a)~圖4(d)所示。

      圖4 壩體和壩基位勢分布圖

      根據(jù)壩體和壩基位勢分布計算壩基面總揚(yáng)壓力,所得結(jié)果見表2。

      表2 壩基面總揚(yáng)壓力及逸出點(diǎn)高程

      采用反演分析得到的壩體和壩基材料滲透參數(shù)計算壩體和壩基滲流場以及壩基揚(yáng)壓力,得到揚(yáng)壓力折減系數(shù)為0.51,大于設(shè)計折減系數(shù)0.38。在設(shè)計和校核工況下,壩基揚(yáng)壓力值均較大,且面板及壩踵部位建基面處的滲透坡降較大,結(jié)果見表3。

      現(xiàn)場安全檢測發(fā)現(xiàn),壩體漿砌石填筑不密實(shí),壩體及排水廊道裂縫眾多。由圖4可知,壩基揚(yáng)壓力較大,設(shè)計工況和校核工況下非溢流壩段廊道位置壩體浸潤線高程分別為191.38 m和191.60 m,均高于壩體廊道高程188.00 m;溢流壩段廊道位置壩體浸潤線高程則分別為191.46 m和191.75 m,也均高于壩體廊道高程188.00 m。另外,壩基未設(shè)置灌漿帷幕,僅布置了間距為3 m的壩基排水孔。另外,根據(jù)施工記錄反映,排水廊道附近存在新老層面接觸問題,易造成滲流通道。從滲流計算分析成果來看,壩踵接觸面的滲透坡降較大,非溢流壩段最大滲透坡降為6.64,在高水位情況下,會造成揚(yáng)壓力進(jìn)一步增大,危及大壩穩(wěn)定;溢流壩段最大滲透坡降為7.92,極有可能導(dǎo)致新老層面接觸面發(fā)生滲透破壞,引起壩基滲流量增大,這與0+068.2處排水廊道底板開裂冒水的現(xiàn)象也是吻合的。

      表3 最大滲透坡降

      4 結(jié)論

      根據(jù)大壩滲流有限元分析,并結(jié)合現(xiàn)場檢查檢測情況對大壩滲流安全性評價如下:

      (1)本次現(xiàn)場安全檢查和檢測發(fā)現(xiàn)的大壩主要滲流問題有:壩體排水廊道裂縫滲水明顯,0+068.2處底板開裂嚴(yán)重,向外冒水;上游防滲面板普遍蜂窩、麻面、露筋,防滲效果下降;

      (2)采用反演分析得到的壩體和壩基材料滲透參數(shù)進(jìn)行大壩有限元滲流分析,結(jié)果表明,在設(shè)計和校核工況下,大壩壩基揚(yáng)壓力較大;壩基排水廊道位置壩體浸潤線高于壩體廊道高程;壩基排水孔處揚(yáng)壓力折減系數(shù)為0.51,大于設(shè)計折減系數(shù)0.38;

      (3)壩基未設(shè)置灌漿帷幕,僅布置了間距為3 m的壩基排水孔,從滲流計算分析成果來看,壩踵基巖的滲透坡降較大,最大滲透坡降為7.92,再加上排水廊道附近存在新老層面接觸問題,極有可能導(dǎo)致壩基接觸面發(fā)生滲透破壞,引起壩基滲流量增大,這與排水廊道底板開裂冒水的現(xiàn)象也是吻合的。

      綜上,大壩滲流安全等級評價為“C”級[16]。建議盡快進(jìn)行除險加固,并完善大壩安全監(jiān)測和管理設(shè)施。除險加固工程實(shí)施前,應(yīng)切實(shí)加強(qiáng)水庫大壩的日常巡視,確保工程安全。

      [1]河南靈捷水利勘測設(shè)計研究有限公司.河南省南陽市桐柏縣水簾水庫除險加固工程初步設(shè)計報告[R].南陽:河南靈捷水利勘測設(shè)計研究有限公司,2014.

      [2]中華人民共和國水利部.SL25-2006砌石壩設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國水利水電出版社,2006.

      [3]河南靈捷水利勘測設(shè)計研究有限公司.桐柏縣水簾水庫除險加固工程初步設(shè)計階段工程地質(zhì)勘察報告[R].南陽:河南靈捷水利勘測設(shè)計研究有限公司,2014.

      [4]南京水利科學(xué)研究院.河南省桐柏縣水利水庫安全評價報告[R].南京:南京水利科學(xué)研究院,2014.

      [5]張 鵬.竹仙洞水庫大壩滲流安全分析[J].廣東水利水電,2014(11):43-46.

      [6]胡建平,劉亞蓮.赤竹徑水庫大壩滲流安全分析與評價[J].甘肅水利水電技術(shù),2014,50(5):53-56.

      [7]王海凌,達(dá) 娃,王海霞.基于 Ansys熱分析模塊的大壩滲流分析-以西藏滿拉水利樞紐為例[J].西北水電,2015(1):77-80.

      [8]寇華榕.龍門灘水庫大壩滲流安全評價[J].水利科技,2014(2):38-41.

      [9]王 偉,賈克梅.青松水庫大壩滲流穩(wěn)定分析及處理措施[J].黑龍江水利科技,2014,42(2):62-66.

      [10]徐懷霞,吳小林.施莊水庫大壩滲流及穩(wěn)定性分析[J].科技論壇,2015(5):26-28.

      [11]董春陽.沙河集水庫大壩滲流安全分析[J].工程與建設(shè),2014,28(4):439-441.

      [12]孫偉偉,陳永昌,劉成棟,等.四明湖水庫大壩滲流安全分析[J].大壩與安全,2014(3):36-42.

      [13]徐繼紅.肖克爾水庫大壩滲流安全評價[J].水電與新能源,2015(2):70-72.

      [14]李凱凱.張峰水庫初期蓄水大壩壩體滲流安全監(jiān)測分析[J].山西水利科技,2014(11):55-57.

      [15]孫 雷.石佛寺水庫大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)和滲流性狀分析[J].陜西水利,2015(1):141-142.

      [16]中華人民共和國水利部.SL258-2000水庫大壩安全評價導(dǎo)則[S].北京:中國水利水電出版社,2000.

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