基于地质勘探的某土石坝异常渗流问题分析

刘思若，郭博文，杨文润

(1.中国南水北调集团有限公司，北京 100097；2.黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003；3.水利部堤防安全与病害防治工程技术研究中心，河南 郑州 450003；4.河北省水利规划设计研究院有限公司，河北 石家庄 050000）

渗流安全复核是大坝安全鉴定工作的重要组成部分,对于土石坝工程尤为重要。土石坝是一种广泛使用的坝型,在已知的所有坝型中,土石坝的数量最多。其出现渗流问题一方面会减少水库蓄水量,降低水库效益；另一方面,渗流对土石坝的稳定性具有重要影响,可能导致坝体溃决,对国家的经济发展和人民的生命财产造成严重影响。

目前,国内学者广泛采用有限元数值模拟方法对土石坝渗流安全进行分析,且取得了一些成果［1-7］。笔者根据多年从事水库大坝安全鉴定的经验发现,针对小型土石坝,大多数学者仅采用初步设计参数或上次除险加固设计参数对其进行渗流安全复核,所得结果基本与初设结果或除险加固设计结果一致,进而根据计算结果并结合现场检测结果评定渗流安全为A级或B 级。事实上,土石坝经过长时间运行后,坝体相关材料参数发生了变化,且坝体防渗设施存在失效风险,仍依照初步设计报告中的相关参数进行渗流安全复核所得结果并不准确。

针对目前有限元数值模拟方法在土石坝渗流安全复核中存在的参数选取局限性问题,本文拟以黄河流域某小型水库为例,采用有限元数值模拟方法结合地质勘探结果对该水库渗流安全进行分析评价,以期为后续安全鉴定工作提供技术支撑。

1 工程概况

黄河流域某水库库容为117.4 万m3,属小(1)型水库,工程等别为Ⅳ等,水库设计防洪标准为20 a 一遇,校核洪水标准为50 a 一遇,主要建筑物有主坝、泄洪排沙洞等。其大坝为均质土坝,顶宽5.0 m,上游坝坡为1 ∶3,下游坝坡为1 ∶2.5,坝顶长143 m,最大坝高13.0 m,上游在除险加固过程中采用土工膜进行防渗处理,下游采用混凝土网格填碎石护坡,坝下游设贴坡排水体,0＋100 标准断面如图1 所示。目前,该水库自上次除险加固起至今已运行10 a,根据《水库大坝安全鉴定办法》(水建管〔2003〕271 号),有必要对其进行安全鉴定。

图1 大坝0＋100 标准断面(高程单位:m；尺寸单位:mm)

2 渗流安全复核初判

在有限元数值模拟中,考虑到水流的连续条件,渗流区内任一点的水头函数需要满足式(1)及相应的初始和边界条件:

式中:kx、ky、kz分别为坐标系x、y、z向渗透系数；h为任一点水头。

水头边界条件:

流量边界条件:

式中:kn为法向渗透系数；n为法向坐标；q()为流量函数。

渗流场的边界一般分为两类,第一类边界Γ1 为已知水头值的边界,第二类边界Γ2 为已知或计算出流量值的边界。不透水边界为第二类边界的特例,即

求解上述问题的有限元方程为

式中:K为渗透矩阵；F为边界已知流量矩阵。

基于上述理论,采用有限元数值模拟技术,结合0＋100标准断面几何信息,建立大坝的有限元计算模型(如图2 所示)。模型共有单元7 749 个,节点7 935个。

图2 大坝0＋100 标准断面有限元计算模型

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2020)和《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》(SL 189—2013)等相关规范,结合该水库大坝的具体情况,确定以下4 种计算工况:工况1,正常蓄水位1 117.00 m＋下游无水；工况2,设计洪水位1 117.38 m＋下游无水；工况3,校核洪水位1 119.60 m＋下游无水；工况4,水位从校核洪水位降至死水位1 112.00 m＋下游无水。

依据规范,对坝基和坝体渗流出逸点和下游坝体的渗透坡降进行分析计算。坝体及坝基材料的渗透系数见表1。

表1 坝体及坝基材料的渗透系数

工况1～4 大坝0＋100 标准断面最大渗透坡降发生在下游坝坡,分别为0.095、0.119、0.127、0.121,允许渗透坡降均为0.453。

防渗土工膜完好时工况1～4 大坝0＋100 标准断面浸润线见图3。可以看出,在上游土工膜完好的情况下,坝体防渗效果明显,坝体渗透坡降均小于相应土层的允许渗透坡降,且出逸点高程低于下游贴坡排水体顶部高程,不存在发生渗透破坏的可能。

图3 防渗土工膜完好时大坝0＋100 标准断面浸润线

然而,在现场检查过程中,发现大坝下游坝坡存在异常渗流现象。经现场勘探,当库水位为1 116.56 m时,渗水部位的最高点距离排水棱体顶约8.50 m,此时湿润土壤顶部位置与库水位之间的高差为3.46 m,与贴坡排水体顶部高程之间的高差为3.10 m。另外,下游左侧排水沟内有汇集水流,下游贴坡排水体完好,贴坡排水体后积水较多。

3 地质勘探甄别

由于该水库未设置量水堰和测压管,且无沉降观测设施,因此无法准确获取渗漏量、渗压分布情况和大坝变形情况。为了摸清坝体渗流规律,在坝体上选取典型断面进行钻孔勘探。以断面3—3 和断面4—4 为例,地质勘探结果见图4。需要指出的是,结合除险加固竣工图及现场测量结果可知,钻孔ZK21-4 和ZK21-6位置已偏离上游防渗土工膜,钻探过程未破坏上游防渗土工膜。由本次地质勘探结果可知,坝体内部浸润线(图4 中绿色线条)均偏高,可判断上游防渗土工膜失效。

图4 典型断面地质勘探结果

4 渗流安全复核终判

在图2 有限元模型基础上,假定上游土工膜失效,结合地质勘探得到的材料渗透系数(见表2),对大坝0＋100 标准断面重新进行渗流计算。需要指出的是,该水库距离上次除险加固已逾10 a,本次地质勘探得到的坝体粉土和坝体填土渗透系数较上次除险加固设计结果偏小,为安全起见,重新进行渗流计算时坝体粉土和坝体填土渗透系数仍采用上次除险加固设计参数。

表2 地质勘探得到的材料渗透系数

土工膜失效时大坝0＋100 标准断面浸润线见图5。防渗土工膜失效时工况1～4 大坝0＋100 标准断面最大渗透坡降发生在下游坝坡,分别为0.293、0.331、0.474和0.446(允许渗透坡降仍为0.453)。可以看出,工况1 渗流浸润线与现场查勘结果和地质勘探结果基本类似,这也在一定程度上证明了关于该水库防渗土工膜失效、无法有效防渗的判断。工况3 下游坝坡最大渗透坡降已大于允许渗透坡降,下游坝坡渗流出逸点高程远高于贴坡排水体顶部高程,不满足《水库大坝安全评价导则》(SL 258—2017)［8］要求,存在安全隐患。

图5 防渗土工膜失效时大坝0＋100 标准断面浸润线

综上所述,土石坝渗流安全不满足现行规范要求,其渗流安全等级评定为C 级。

5 结语

针对目前有限元数值模拟方法在土石坝渗流稳定复核中存在的局限性,提出了一种有限元数值模拟和地质勘探结果相结合的分析方法。以黄河流域某小型水库为例,采用该方法对其进行了渗流安全复核分析及安全性评价,具体结果如下:

(1)依据设计资料,有限元数值模拟结果显示该水库渗流安全满足要求,但现场勘探表明,水库存在异常渗流现象。通过分析不同断面地质勘探结果可知,坝体内部浸润线均偏高,可判断上游防渗土工膜失效。

(2)防渗土工膜失效情况下,校核水位工况下游坝坡最大渗透坡降已大于允许渗透坡降,且下游坝坡渗流出逸点高程远高于贴坡排水体顶部高程；根据《水库大坝安全评价导则》,大坝渗流安全不满足规范要求,渗流安全等级评定为C 级。

(3)有限元数值模拟和地质勘探结果相结合的分析方法能有效弥补单纯采用有限元数值模拟的不足,可为同类土石坝渗流安全复核提供依据和参考。