红旗水库主坝防渗加固措施评价

2010-07-12周援衡

湖南水利水电 2010年2期

孔伟周援衡孙志

（长沙理工大学水利工程学院长沙市 410076）

1 概述

红旗水库位于湘阴县玉华乡长湖村的熊家组和张家冲组，水库所在河流属湘江水系洋沙湖支流。坝址下游距玉华乡政府2.0 km，距湘阴县城13.0 km。水库于1958年10月动工兴建，1966～1967年续建，1970年建成蓄水运行，直接保护人口5 600人，保护耕地280 hm2（4 200亩）。水库控制集雨面积3.1 km2，总库容271.62万m3。是一座以灌溉为主，兼有防洪、养殖等综合效益的小（Ⅰ）型水库。枢纽工程主要由主坝、副坝、输水高涵、输水低涵、溢洪道建筑物组成。主坝顶高程为88.50 m，坝顶宽4 m，最大坝高19.3 m，坝轴线长241。上游坝坡为二级坡，一级平台高程为81.00 m，宽为1.5 m；坝坡坡比自上而下分别为1∶2.25、1∶2.5，上游坝坡在高程（81.00～87.00）m 为预制块护坡。下游坝坡分二级，一级平台高程为77.50，宽为2.0 m；坝坡坡比自上而下分别为 1∶2.5、1∶2.75，下游坝坡为草皮护坡。

该水库属“三边”工程，先天不足，加之运行多年，建管不到位，工程留下许多隐患。主坝外坡左侧高程74.5 m处有5处湿润散浸，其中2处渗水水流浑浊并有细粉粒带处地表，属非正常渗漏，右端有3处湿润散浸。主坝右、左两岸坝肩接触处坡脚均见一股渗漏水，其流量约（0.04~0.08）L/s。

根据坝体的险情位置情况，防渗加固措施为沿主坝坝顶中心线上游19.5 m（一级平台81.0 m高程）处作坝体高压旋喷灌浆，构筑防渗墙，高喷下缘抵相对不透水层。高喷防渗墙顶缘至坝顶铺设复合式土工膜；高喷喷射直径为1.5 m，间距1.25 m。高压旋喷灌浆向坝左右岸延伸，使坝身、坝头、坝基形成封闭、连续的防渗体系。

本文根据2009年主坝防渗加固措施，运用北京理正软件设计研究所的渗流稳定分析软件，采用有限元法计算分析加固前后的主坝渗流性态，评价防渗加固措施的效果。

2 主坝除险加固前后的渗流计算

2.1 计算原理

在一定条件下,考虑土和水的压缩性,土石坝平面渗流（二维渗流）问题符合Dancy定律的各向异性连续体的渗流［1］,其基本方程为：

上式为非稳定渗流基本方程式。当为稳定渗流时,假定水和土均不可压缩,即 =0时，式（1）变为：

当渗透系数为常数时，上式为：

若为各向同性，kx=ky=kz，则式（3）变为 Laplace 方程：

式中h——水头函数；

x、y、z——空间坐标；

t——时间坐标；

kx、ky、kz——分别是以x、y、z轴为主轴方向的渗透系数；

Ss——单位存储量。

2.2 有限元计算方法［1］

对渗流场计算域进行有限元离散,采用三结点的三角形单元和线性插值函数,线性代数方程组用改进平方根法求解,方程（1）对应的有限元平衡方程组为：

式中[K]——总渗透矩阵,其元素由kx、ky、kz及单元结点坐标决定；

[S]——由Ss及单元结点坐标决定的矩阵,为Ss的线性式；

[P]——由给水度及非稳定渗流自由面边界单元结点坐标所决定的矩阵；

{F}——已知常数项列阵,由已知结点水头得出；

{h}t——时刻的渗流水头。

当上式中矩阵[S]等于零时，得不可压缩土体的非稳定渗流有限元计算公式。

稳定渗流有限元计算公式为式（6）特列，不计时间项且[S]、[P]矩阵均为零时，其有限元计算公式如下：

2.3 计算参数

高压旋喷渗透系数取1×l0-6cm／s。土工膜因渗透系数很小（8.17×10-12cm／s），厚度很薄（0.4 mm），因此在利用复合土工膜作防渗体土石坝的有限元渗流计算中,难以对其进行模拟。有关文献提出［1］,复合土工膜按当量渗透系数处理,即把复合土工膜看做具有一定渗透系数而厚度较大的等效土体。可换算为渗透系数2.04×10-6cm／s的2 m厚粘土层进行计算。坝体材料渗透系数见表1。

表1 坝体材料渗透系数表 cm/s

2.4 结果分析

基于上述的渗流模型,采用有限元法，选择主坝设计典型横断面为计算断面，按《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2001）进行各工况下主坝渗流计算。水库防渗加固后主坝典型断面渗流分析主要渗流性态的比较如表2。主坝加固前后设计洪水位稳定渗流复核结果见图1、图2，其它各工况稳定渗流期与非稳定渗流期计算结果图从略。