微觀水庫(kù)病險(xiǎn)土石壩滲透系數(shù)的確定

微觀水庫(kù)病險(xiǎn)土石壩滲透系數(shù)的確定

0壩體防滲的主要病害及防治建議觀觀河水庫(kù)位于漢江月河支流觀音河的上游，距陜西省漢陰縣10公里。大壩為粘土心墻土石壩,壩高34.2m,壩頂長(zhǎng)256m,壩頂高程466.833m。該水庫(kù)建于1958年9月至1962年5月。由于當(dāng)時(shí)施工質(zhì)量存在的問(wèn)題較多,水庫(kù)運(yùn)行40多年來(lái),大壩經(jīng)歷了多次險(xiǎn)情和搶險(xiǎn)。目前,大壩存在的主要病害是:當(dāng)庫(kù)水位超過(guò)460m高程時(shí),壩背水坡不同程度地向外滲水。其中最嚴(yán)重的一次發(fā)生在2000年7月13日,當(dāng)漢陰縣暴發(fā)了“7·13”洪水時(shí),庫(kù)水位猛漲到463.333m高程,背水坡滲水面積竟達(dá)到2518m2,最高滲出點(diǎn)達(dá)到459.7m高程,大壩安全處于十分危急的狀態(tài)。同年8月,對(duì)大壩心墻上部的透水土層進(jìn)行了垂直鋪塑防滲的應(yīng)急處理,大大緩解了大壩險(xiǎn)情。在面臨汛期不可能對(duì)壩體深層取樣的情況下,考慮到除險(xiǎn)加固工程與新建工程的勘測(cè)在內(nèi)容、深度上應(yīng)有所不同,除險(xiǎn)加固工程更應(yīng)強(qiáng)調(diào)針對(duì)性,做到“查明病因,對(duì)癥下藥”,無(wú)須按新建工程的勘測(cè)規(guī)范要求做到面面俱到。鑒于觀音河水庫(kù)大壩有40多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和較為明確的病因,又有2000年6月大壩安全鑒定的比較詳細(xì)的土工試驗(yàn)資料,特別是2000年大壩“7·13”險(xiǎn)情和應(yīng)急除險(xiǎn)較詳細(xì)的實(shí)測(cè)資料,我們認(rèn)為除險(xiǎn)加固初步設(shè)計(jì)階段需進(jìn)一步確定的土工指標(biāo)重點(diǎn)應(yīng)為壩體土的滲透系數(shù),而且可以通過(guò)分析加以確定。1大壩壩形、地質(zhì)結(jié)構(gòu)的調(diào)查與分析觀音河水庫(kù)的原始設(shè)計(jì)文件檔案在文化大革命中全部遺失。大壩建成后,由于經(jīng)歷多次險(xiǎn)情和加固,現(xiàn)大壩壩形及其地質(zhì)結(jié)構(gòu)狀況沒(méi)有一份可靠、統(tǒng)一完整的資料可循。因此,必須首先確定大壩壩形及其地質(zhì)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀。根據(jù)2001年6月壩址區(qū)的實(shí)測(cè)地形圖、過(guò)去存留在個(gè)人手中的零散資料、1982年的一份大壩補(bǔ)勘地質(zhì)橫剖面圖和2000年3月大壩安全鑒定時(shí)的探坑等資料的綜合分析,確定當(dāng)前大壩的壩形和地質(zhì)結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。在確定大壩結(jié)構(gòu)的分析中,我們所收集到的各零散資料中壩殼、心墻的結(jié)構(gòu)形式基本口徑一致,但對(duì)壩殼、心墻中的填料變化情況眾說(shuō)不一。圖1中Ⅱ-Ⅱ橫斷圖如圖2所示。圖中填料區(qū)分布根據(jù)大壩結(jié)構(gòu)、病險(xiǎn)出露和探坑位置分析劃分。Ⅱ-Ⅱ橫斷面上中2(壩頂)和中4(下壩坡)探坑的土層分布編錄如表1所示。土的滲透系數(shù)(垂直方向滲透系數(shù)kV和水平方向滲透系數(shù)kH)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。表中,土樣的滲透系數(shù)為試驗(yàn)的平均值,不同部位的滲透系數(shù)為探坑各土樣的試驗(yàn)值對(duì)大層厚的值。2數(shù)據(jù)分析及結(jié)果“觀音河水庫(kù)大壩安全復(fù)核”的結(jié)論指出,當(dāng)庫(kù)水位高于460m高程時(shí)大壩的主要病害是下壩坡的滲水問(wèn)題。只要消除了下壩坡上的滲水現(xiàn)象,大壩是穩(wěn)定的。因此,確定壩體土的滲透系數(shù)是大壩加固設(shè)計(jì)階段最重要的土工研究任務(wù)。探坑的土層編錄和1982年的大壩地質(zhì)橫剖面圖表明,壩體施工填筑很不均勻。因此,有限土樣的試驗(yàn)結(jié)果難以完全反映大壩土體的特性,這對(duì)于土滲透性尤為突出。但是,有限土樣的試驗(yàn)結(jié)果在一定程度上可以反映土體特性的變化范圍。觀音河水庫(kù)管理站已往的庫(kù)水位與下壩坡滲水觀測(cè)記錄,特別是2000年漢陰縣“7·13”洪水時(shí)下壩坡的滲水記錄,為反分析滲透系數(shù)提供了重要的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。我們認(rèn)為用這組數(shù)據(jù)和原試驗(yàn)數(shù)據(jù)的反分析結(jié)果能夠更逼近大壩土體的實(shí)際滲透特性。在反分析中,首先,按探坑的土層編錄和土工試驗(yàn)資料劃分計(jì)算斷面的填料分區(qū),再?gòu)臐B透系數(shù)的試驗(yàn)值中選一組作為標(biāo)準(zhǔn)值,通過(guò)計(jì)算,確定影響浸潤(rùn)線的敏感填料區(qū)及其滲透系數(shù)。然后,以不同情況的實(shí)測(cè)最大滲出點(diǎn)高程為控制條件,不斷修正敏感填料區(qū)的滲透系數(shù),進(jìn)行試算,使最終得到的浸潤(rùn)線基本上同時(shí)滿足控制條件。最后,取各填料區(qū)最終計(jì)算采用的滲透系數(shù)作為本次除險(xiǎn)加固初設(shè)的選用計(jì)算參數(shù)。在多待定滲透系數(shù)情況下,為了減小計(jì)算量,需要找出最有影響、最敏感的料區(qū)和最敏感的滲透系數(shù)。本文以Ⅱ-Ⅱ斷面為例進(jìn)行滲透敏感性分析。計(jì)算分析程序采用南京水利科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)的有限元平面滲流程序DQB。計(jì)算斷面的填料區(qū)劃分如圖2所示。不同填料區(qū)的滲透系數(shù)參考值采用試驗(yàn)滲透系數(shù)的分區(qū)加權(quán)值,如表3所示。壩坡堆石和壩基砂礫石層的滲透系數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘和有關(guān)手冊(cè)的建議值。上游控制水位為463.333m,下游控制水位為432.633m。敏感性分析分別采用單因素法和雙因素法。單因素法是在每次計(jì)算中對(duì)某一填料區(qū)只改變一種滲透系數(shù)數(shù)值,而保持其他滲透系數(shù)和其他填料區(qū)的滲透系數(shù)不變;雙因素法是在每次計(jì)算中對(duì)某一填料區(qū)同時(shí)改變垂直滲透系數(shù)kV和水平滲透系數(shù)kH,而保持其他填料區(qū)滲透系數(shù)不變。按此方法對(duì)所有填料區(qū)逐個(gè)計(jì)算。單因素法計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4所示。雙因素法的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)文獻(xiàn)。圖3、圖4中:C,D,E,F,G,H表示壩體土料的分區(qū)號(hào)(見(jiàn)圖2),下標(biāo)H,V分別表示分區(qū)的水平滲透系數(shù)和垂直滲透系數(shù)的變化。浸潤(rùn)線特征點(diǎn)x坐標(biāo)為歷次大壩滲水記錄中下壩坡最高滲水點(diǎn)曾發(fā)生過(guò)的可能位置。a.EH線、FH線和HV線隨k/k0變化較大,表明影響浸潤(rùn)線的敏感填料區(qū)為E區(qū)、F區(qū)和H區(qū),其中最敏感區(qū)為F區(qū)和H區(qū),即下壩殼451.2m高程以下填筑區(qū)和心墻460m高程以下填筑區(qū)。b.最敏感的滲透系數(shù)為心墻460m以下填筑區(qū)的水平滲透系數(shù)和下壩殼451.2m以下填筑區(qū)的垂直滲透系數(shù)。c.其他分區(qū)滲透系數(shù)對(duì)滲出點(diǎn)高程影響不大,即使選原試驗(yàn)值也不會(huì)有大的影響。3方案的模型模擬為了減少計(jì)算量,根據(jù)上述滲透系數(shù)敏感區(qū)分析結(jié)果,在反算中只需調(diào)試滲透敏感區(qū)的最敏感滲透系數(shù)。反算控制條件為:a.使采用反算結(jié)果的計(jì)算在現(xiàn)有勘探試驗(yàn)資料條件下能夠保證初步設(shè)計(jì)的可靠性。b.使計(jì)算浸潤(rùn)線逸出點(diǎn)高程基本能夠同時(shí)滿足不同情況的實(shí)測(cè)逸出點(diǎn)高程,即庫(kù)水位460m時(shí)浸潤(rùn)線無(wú)逸出現(xiàn)象、庫(kù)水位463.333m時(shí)浸潤(rùn)線逸出點(diǎn)高程近似于459.7m、庫(kù)水位461m時(shí)浸潤(rùn)線近似于441.7m高程逸出、庫(kù)水位463.333m并經(jīng)心墻垂直鋪塑處理后浸潤(rùn)線逸出點(diǎn)高程近似于443.0m。c.使反算值內(nèi)涵于試驗(yàn)值范圍,敏感區(qū)的敏感滲透系數(shù)不超過(guò)試驗(yàn)值的3倍。基本滿足上述控制條件的反算滲透系數(shù)如表4所示。4滲透系數(shù)計(jì)算對(duì)有病險(xiǎn)大壩的加固設(shè)計(jì),滲透系數(shù)必須按控制斷面分別選取。不存在最大壩高斷面,即主斷面滲透系數(shù)對(duì)其他斷面的控制作用。例如,在本工程中,如果用Ⅱ-Ⅱ斷面的滲透系數(shù)替代Ⅲ-Ⅲ斷面的滲透系數(shù),計(jì)算現(xiàn)大壩庫(kù)水位463.333m的浸潤(rùn)線,則Ⅲ-Ⅲ斷面計(jì)算浸潤(rùn)線必定逸出,顯然這與實(shí)際觀測(cè)不符。根據(jù)這一原則確定的觀音河水庫(kù)大壩除險(xiǎn)加固初步設(shè)計(jì)的選用滲透系數(shù)如表4所示。根據(jù)探坑揭示的土層分布資料,上下游壩殼填料區(qū)基本上是不同含礫量的礫石土和粘土的互層結(jié)構(gòu);心墻填料區(qū)在460m高程以上部分也是不同含礫量的礫石土和粘土互層結(jié)構(gòu);460m以下部分是含少量礫的均質(zhì)土體,該填土結(jié)構(gòu)必然使心墻在460m高程以上部分的水平滲透系數(shù)過(guò)大,壩殼部分的垂直滲透系數(shù)過(guò)小,這是下壩坡坡面滲水的根本原因。通過(guò)滲透敏感性分析,得到最敏感的滲透系數(shù)為心墻460m高程以下部分(F區(qū))的水平滲透系數(shù)和下壩殼451.2m高程以下(H區(qū))的垂直滲透系數(shù)。對(duì)于H區(qū)的垂直滲透系數(shù)直接取試驗(yàn)值;對(duì)于F區(qū)的水平滲透系數(shù)取2倍試驗(yàn)值。這是因?yàn)?一方面,該試驗(yàn)值僅為F區(qū)表層即459.20m高程所取土樣的試驗(yàn)值;另一方面,如果下面沒(méi)有不良填土的透水層,取上層土的試驗(yàn)值則為最不利情況,可以起到對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算偏于安全的控制效果。按選用滲透系數(shù)計(jì)算,大壩不同情況的浸潤(rùn)線如圖5～圖10所示。從圖中可以看出,在不同情況下計(jì)算的浸潤(rùn)線與管理經(jīng)驗(yàn)或?qū)崪y(cè)結(jié)果基本一致,進(jìn)一步表明了這組滲透系數(shù)取值具有較好的近似性。5壩體滲透系數(shù)的確定a.由于觀音河水庫(kù)大壩的病險(xiǎn)問(wèn)題和病因明確,有“大壩安全復(fù)核”時(shí)較細(xì)致的勘探和土工試驗(yàn)資料,又有歷次險(xiǎn)情時(shí)較詳細(xì)的滲水實(shí)測(cè)和長(zhǎng)期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),從而使分析確定壩體土的滲透系數(shù)具備了較充分的分析條件。對(duì)于填料很不均勻的觀音河大壩,這樣確定滲透系數(shù)較單純按有限試驗(yàn)確定滲透系數(shù)更符合實(shí)際。b.通過(guò)滲透敏感性分析,得到大壩在現(xiàn)狀情況下滲透敏感區(qū)為:心墻460m高程以下的