杨埕水库围堤渗流分析与方案比选

段连强

(沧州水利勘测设计院,河北 沧州 061000)

1 工程概况

杨埕水库是实施沧州东部地区供水工程的调蓄工程,工程建成后能极大地缓解当前水资源的供需矛盾。水库设计库容为6568万m3,死库容916万m3,最高蓄水位9.0 m,围堤轴线长度12.1 km,围堤内坡角高程2.5 m,围堤堤顶高程 10.5 m,水库占地面积 10.9 km2。

2 库址的工程地质与水文地质条件

库址位于海兴县东部,东临漳卫新河,西靠宣惠河,与渤海凹地相毗邻,为一浅碟形洼地。其地貌属华北冲积平原东部、滨海平原下游地带。勘察场地位于海兴湿地中北部,东侧有沟渠、堤埝、虾池、盐池等微地貌分布,地势略有起伏,钻孔地面高程 1.70～3.40 m。库区内常年存有积水,积水深度平均为0.8 m。围堤所在的区域工程地质条件变化较大,表1和表2中分别列出了桩号0+350～4+700的工程地质及水文地质指标值。

表1 土层承载力及压缩模量统计表

表2 各土层渗透系数统计表

3 围堤设计方案渗流分析

水库围堤渗流分析是坝体计算内容的重要组成部分,通过计算坝体和不同坝基的渗漏量、坝体下游的出逸点位置及坡降,不仅可以进行坝体不同防渗方案的优劣性比较,还可为水库的下一步调节演算及围堤稳定性分析提供基础数据,是围堤断面设计方案确定的主要手段。

根据工程地质勘察成果,结合近几年平原水库的建设经验及当地的工程地质条件,拟定了 3种围堤断面设计方案。方案一:均质土坝,靠坝体、坝基作为主要防渗体,上游坝坡上段坡比为1∶3.5,在4.0 m标高处设3 m宽马道,下段坡比均为1∶4;下游坝坡坡比为1∶4,并在下游坡脚标高2.5 m处设置15 m宽戗台。方案二:断面同方案一,并在上游坝坡迎水面加复合土工膜防渗。方案三:断面同方案一,并在上游坝坡迎水面加复合土工膜防渗及上游坝址处设垂直铺塑,铺塑深度为8 m。

限于篇幅,文中只列出均质坝迎水面加防渗土工膜方案的围堤设计断面,如图 1所示。

图1 围堤设计断面

渗流计算方法主要有公式法、有限单元法,现简要介绍一下公式法。均质土坝渗流稳定计算公式:

式中,q为单位宽度渗流量,m3/(s·m);k为堤身渗透系数,m/s;H1,H2分别为上、下游水位,m;h0为下游出逸点高度,m;m1,m2分别为上、下游坡坡率。

通过计算浸润线,联立求解式(1)和式(2)即可求得h0和q/k。求解时可用一组h0值分别代入式(1)和式(2),可得两条q/k与h0的关系曲线,两曲线的交点即为两方程式的解。经计算,求得坝体的渗流量为0.56×10-6m3/(s·m)。

坝基渗流量计算公式:

式中,k0为坝基的综合渗透系数,m/s。

通过对坝基不同土层进行加权平均,计算出坝基渗流量为1.72×10-6m3/(s·m)。坝体和坝基总的渗流量为2.28× 10-6m3/(s·m)。

方案二的渗流计算采用等代土层厚度法,用粘土斜墙坝进行渗流计算;对方案三则采用将垂直铺塑近似等代成水平粘土铺盖的方法进行渗流计算[5]。经计算,方案二的渗流总量为2.13×10-6m3/(s·m),方案三的渗流总量为1.57×10-6m3/(s·m)。可以看出方案二、方案三的渗流量较小,但与方案一的数量级相同,相差不大。

公式法只适用于某些简单的典型情况,对于工程上经常遇到的复杂情况,需作一系列的简化假定,而且分析计算较复杂,且计算结果不尽如人意。近年来由于有限元分析法的迅速发展,可以适应复杂的边界条件、非均质、各向异性等不同情况,应用范围较广,也更全面,且能根据实际计算结果,自动绘出坝体、坝基渗流的矢量图、等势线图、水压分布图等计算成果,能直观地显示坝体渗流的变化情况。本次计算采用河海大学工程力学研究所编制的autobank程序,建立了有限元渗流模型,划分了围堤坝体的有限元网格。方案一的网格划分如图 2所示。

图2 方案一的网格划分

对 3种设计方案分别在坝内高水位时进行了稳定渗流分析比较,为了更好地了解坝体的渗流情况,列出了各方案稳定渗流矢量图(图 3～图 5)。

图3 方案一的稳定渗流矢量图(单宽渗流量 2.45×106m3/(s·m))

图4 方案二的稳定渗流矢量图(单宽渗流量 2.41×106m3/(s·m))

图5 方案三的稳定渗流矢量图(单宽渗流量 2.13×106m3/(s·m))

由以上各方案的流速矢量图可以看出:1)本工程坝体渗流量在整个渗流过程中所占比重很小,坝基4为水库主要渗漏通道,而坝体、坝基 1～3可以作为相对隔水层;2)复合防渗土工膜+垂直铺塑方案渗流量最小,但其数量级与前两个方案相同,渗流量相差不大,也就是说,坝体与坝基 1～3的防渗减渗效果明显;3)截渗沟是围堤渗流的主要出口,通过设置截渗沟,降低围堤外部地下水位,有效地减轻了由于修建水库而使周边地区次生盐碱化问题;4)在围堤下游戗台后有少量水出逸,可通过设置贴坡排水保护下游坡脚不受破坏;5)方案二与方案一比较虽然渗漏相差不大,但其有效地降低了坝体的浸润线;6)坝体渗流量虽然与手算结果有一定的差别,但比较接近,可以做为设计依据。

4 围堤设计方案的确定

通过以上稳定渗流计算分析比较,3个方案的单宽渗流量相差不大,坝体与上部坝基防渗效果明显,而方案三虽然做了垂直铺塑,但其截渗作用不明显,且方案一、方案二的渗流量并不大,在经验值范围以内,因此方案三只作为比较方案;而方案一为均质土坝,根据经验从抗冻胀、施工质量控制及工程管理等综合分析,易出现问题,为此,最终确定方案二即坝体上游铺设复合土工膜防渗方案为最终设计方案。

5 结语

平原水库围堤设计断面的选取是在各种设计条件下经综合比较选定,需根据当地地质条件、地形地貌、成库条件进行各种计算,如围堤稳定计算、渗流计算等等,文中仅从渗流分析的角度对杨埕水库的 3个围堤方案进行了计算分析,为围堤断面防渗形式的选取提供了依据,最终确定方案二作为设计方案,其较方案三节约了垂直铺塑部分的投资。

杨埕水库工程现已建成蓄水,通过在围堤上设置的观测设备进行观测,其实际的渗流量与计算结果比较接近,现已稳定运行1年以上,达到设计预期效果。

[1]SL274-2001,碾压式土石坝设计规范 [S].

[2]SL/T 225-98,水利水电工程土工合成材料应用技术规范[S].

[3]SL 60-94,土石坝安全监测技术规范 [S].

[4]GB50268-98,堤防工程设计规范[S].

[5]华东水利学院.水工设计手册:第3册 [M].北京:水利电力出版社,1984.