琵琶寺水库渗流有限元分析

李涛 张玉杰

摘 要：本文选取琵琶寺水库典型断面，采用有限元模型对琵琶寺水库坝体和坝基渗漏进行计算和分析。研究表明，水库主要通过坝基砾岩层向下游河床渗水;由于坝基黏土铺盖层、砾岩层厚度不同，不同坝段灌浆帷幕防渗效果存在差异。除险加固后，大部分坝段渗漏量显著减少，说明有限元分析法具有较大的成效。

关键词：水库坝体坝基渗漏;有限元;帷幕灌浆

中图分类号：TV698.2 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）22-0092-05

Finite Element Analysis of Seepage in Pipa Temple

LI Tao ZHANG Yujie2

Abstract： In this paper， the typical section of Pipa Temple Reservoir is selected， and the seepage of dam body and foundation of Pipa Temple Reservoir was calculated and analyzed by finite element model. The results show that the reservoir seeps into the river bed downstream mainly through the conglomerate layer of dam foundation， and the anti-seepage effect of grouting curtain in different dam sections is different due to the different thickness of clay cover and conglomerate layer of dam foundation. After danger removal and reinforcement， the leakage of most dam sections is significantly reduced， which shows that the finite element analysis method has great effect.

Keywords： reservoir dam foundation seepage;finite element;curtain grouting

1 工程概述

琵琶寺水库位于汤阴县宜沟镇西5km，卫河汤河支流永通河上游，控制流域面积30km2。工程主要建筑物包括大坝、溢洪道、泄洪洞、引淇工程及南北灌溉洞等。其中，大坝为均质坝，坝顶高程125.50m，坝长1 176m[1-3]。

琵琶寺水库始建于1958年，建设及扩建过程可分为三个阶段，三个阶段填土成分和质量差异较大，坝体分为不同分区。第一阶段为小型水库阶段（1958—1967年），坝体填土为坝体1区;第二阶段是由小型水库扩大到中型水库阶段（1968—1973年），坝体填土为坝体2区;第三阶段为中型水库扩大提高阶段（1974—1981年），坝体填土均为坝体3区。2001年大坝安全鉴定后，2002年10月至2006年7月对水库大坝进行了坝基防渗帷幕灌浆，范围为大坝桩号0-100至桩号1+276，全长1 376m;垂直灌浆范围为向上包含天然覆盖层并伸入坝体2m，向下伸入相对不透水泥岩层5m。施工过程中，因种种原因，取消了坝体及天然覆盖层的灌浆，仅对坝基砾岩进行了灌浆，下部进入泥岩2m。竣工后经检验，灌浆质量满足规范和设计要求。水库运行后，水库渗漏量较之前有所减少，下游耕地沼泽化有所减轻。

工程场区勘探深度范围内，揭露的地层为第四系全新统（Q4alp）冲洪积物、第四系中更新统（Q2alp）冲洪积物和新近系上新统鹤壁组（N2h），土层2为粉质黏土（Q2alp），土层3为黏土岩、泥灰岩，土层4为砾岩，土层为5黏土岩、泥灰岩。

2 大坝渗流计算

2.1 计算断面及参数选取

自2002年琵琶寺水库除险加固以来，琵琶寺水库保持在较低库水位运行状态。为预测未来高水位情况下的大坝渗流状态，并补充和验证观测资料分析成果，有必要采用有限元进行渗流计算分析。

结合坝体质量、水文地质、监测设施布置等，选取河槽段0+595、左岸0+400、右岸0+800断面作为渗流有限元计算分析的典型断面。由地质勘察结果和施工资料可知，大坝分多个阶段加高培厚，桩号0+500～0+700合拢段113.00～109.00m高程为水中倒土未经碾压部分，含水量高达28%，干容重小，坝体质量差。桩号0+250～0+655段为1968年填筑土料不合格范围，大部分为泥岩和泥灰岩碾压而成，孔隙发育，结构疏松。为此，将坝体断面分为1958年、1964年和1968年三个部分，建立的有限元模型如图1至图3所示。

断面各区渗透系数初始值根据地勘资料、试验数据及一般工程经验确定，具体参数见表1。

2.2 渗流计算参数反演分析

依据近年来库水位较高且较稳定情况下的坝体坝基渗流场的实测观测资料进行渗流计算参数的反演分析。考虑到观测资料的完备性和断面的代表性，采用河槽段0+595断面、台地段0+400断面、0+800断面三个断面2012年11月26日（库水位121.06m）的坝体、坝基测压管监测资料。计算断面各区渗透系数初始值时，根据地勘资料、试验数据及一般工程经验确定。反演与实测结果对比见表2，反演调整后的渗透参数见表3。从表格可以看出，0+595断面、0+800断面的反演计算值结果与渗流观测值吻合较好。

2.3 计算分析工況

根据琵琶寺水库的实际情况以及结构稳定分析的需要，参考《碾压式土石坝设计规范》（SL 274—2001），确定大坝渗流性态分析的计算工况为：①正常蓄水位121.00m+下游相应的最低水位形成的稳定渗流;②设计洪水位123.51m+下游相应的水位形成的稳定渗流;③校核洪水位124.92m+下游相应的水位形成的稳定渗流。其中考虑本次洪水复核的特征水位略高于设计值，设计洪水位和校核洪水位选取本次复核值。

2.4 有限元计算

采用图1至图3的有限元模型，以及表3中反演的渗透系数，计算河槽段、台地段三个断面在上述工况下相应部位的渗流要素。

2.4.1 0+595断面。河槽段0+595断面各工况下的渗流场等势线如图4所示，各工况下关键部位的渗流要素见表4。计算得到的渗透坡降与观测值计算成果较为接近。

2.4.2 0+400断面。0+400断面正常蓄水位下的渗流场等势线如图5所示。由于在已知条件下，反演计算值与实测值相差较大，正常水位条件下断面的渗流场分析结果仅作参考，其他工况不做分析。

2.4.3 0+800断面。0+800断面各工况下的渗流场等势线如图6所示，各工况下关键部位的渗流要素见表5。计算得到的渗透坡降与观测值计算成果十分接近。

3 计算成果分析

①0+595断面、0+800断面计算的等势线分布符合一般均质土坝的渗流规律，坝体浸润线较低;灌浆帷幕的防渗效果明显，帷幕消耗了大部分水头，砾岩层的渗透坡降略大，但尚在允许值内;0+400断面计算的砾岩层的渗透坡降略大，结合实测资料，推断设计洪水位、校核洪水位下存在渗透破坏可能。因此，帷幕防渗效果较好的坝段，坝基砾岩层基本满足渗透稳定要求;防渗效果欠佳的坝段，高水位下局部存在渗透破坏的风险。

②水库主要通过坝基砾岩层向下游河床渗水，由于坝基黏土铺盖层、砾岩层厚度不同，不同坝段灌浆帷幕防渗效果的存在差异，除险加固后大部分坝段渗漏量显著减少;但部分坝段渗漏量仍然较大。从表4、表5中的渗流量计算结果看，当库水位在正常蓄水位121.00m时，全坝段平均单宽渗流量为3.3m3/m·d，以坝长1 200.0m计，大坝日渗漏量约为3 960m3/md，年渗漏量约为144.54萬m3;对比实际库容，水库渗漏损失较大。

参考文献：

[1]卢廷浩.士力学[M].南京：河海大学出版社，2002.

[2]河南省汤阴县琵琶寺水库大坝安全评价报告[R].南京：南京水利科学研究院，2015.

[3]汤阴县琵琶寺水库除险加固工程水文地质勘察报告[R].安阳：河南省豫北水利勘测设计院，2001.