淺談小型病險水庫壩體穩(wěn)定滲流分析
摘 要：本文以我國目前中小型水庫壩體的使用現狀為切入點，從設計與實際形成效果的聯系等幾個方面進行分析，總結出一些切實可行的設計方法，總結了壩體滲流分析的各種方法，并綜述了水力學法、實驗法和有限單元法的基本理論、定解條件及各種方法之間的差異。
關鍵詞：病險水庫; 穩(wěn)定滲流
0、 前言
土石壩作為一種最古老的水工建筑物，迄今仍不失去其發(fā)展的光輝。土石壩具有適用條件廣、可就地取材、經濟效益好、設計手段高、施工速度快、施工導流易解決、抗震性能強等優(yōu)點，因而被廣泛采用。
水庫對于我國的農業(yè)生產城市用水保障等方面都是十分重要的，其重要性不言而喻。所以水庫的安全評價是我國歷來十分重視的。安全評價中滲流評價是重中之重的內容。據統計，在壩與水庫失事的事故統計中約有30%左右是由于滲流問題引起的，可能導致流土、接觸流土、不同程度的管涌、接觸沖刷等破壞，因此深入研究滲流問題，控制滲流是非常重要的。本文研究的某小Ⅱ型水庫現已運行有二十多年之久，由于該水庫是在特殊的歷史背景下興建，勘測、設計及施工方面均存在較多缺陷，加上建設和運行期間缺少資金，建設和管理無法按要求到位，給工程留下許多隱患。主壩外坡左側高程79.5m處左右有濕潤散浸，其中2處滲水水流渾濁并有細粉粒帶處地表，屬非正常滲漏，右端有3處濕潤散浸。主壩右、左兩岸壩肩接觸處坡腳均見一股滲漏水，其流量約0.04~0.08L/S。針對這一現狀，2009年工程人員對其進行了灌漿加固處理。本文對主壩的滲流穩(wěn)定進行對比分析。
1、某�、蛐退畮旎厩闆r及存在的問題
1.1某�、蛐退畮旎厩闆r
我國某�、蛐退畮煳挥谀持屑壋擎�(zhèn)境內，水庫距縣城100km，距最近小鎮(zhèn)25km。大壩為均質土壩,最大壩高15.57m。壩體土和壩基的滲透系數K分別為1.90×10-5cm/s、 3.6×10-6cm/s。。
計算工況：根據該水庫的水位值及運行調度情況，水庫水位從正常蓄水位798.80m降至死水位790.50m大約需要20d，庫水位的平均降速為v=0.42m/d，按《水力計算手冊》中推薦的判別式K/(μv)計算得K/(μv)=3.1，此值大于0.1 (庫水位驟降的判別臨界值)，但小于60(極緩慢下降判別臨界值)，因此該水庫在庫水位下降時為緩降類型，上游壩坡中滲流為非穩(wěn)定滲流。故對其分六種情況進行滲流計算，具體工況為：工況1：上游為正常高水位798.80m時的情況;工況2：上游為設計洪水位799.60m時的情況;工況3：上游為校核洪水位799.90m時的情況;工況4：上游庫水位由798.80m降至死水位790.50m時的滲流情況;工況5：上游庫水位由799.60m降至死水位790.50m時的情況;工況6：上 游 庫 水 位 由799.90m驟降至798.80m再降至死水位790.50m時的情況。工況4、5、6為非穩(wěn)定滲流工況。
1.2 計算結果及滲流運行分析
根據壩體內浸潤線位置，工況1到工況6滲流時的滲透坡降分別為J=0.34-0.43。由《水利水電工程地質勘察規(guī)范》中的公式計算可得出壩體土的臨界滲透坡降為Jcr=(Gs-1)(1-n)=0.96，允許的滲透坡降[J]=0.48，工況1到工況6的滲透坡降計算值均小于規(guī)范所得的允許值。
鑒于該水庫是人工打夯碾壓土壩，技術含量低，使上壩土料含水量控制不嚴、土質較差、壓實不均勻，導致壩體質量較差�，F場踏勘表明，下游壩坡在樁號0+049、高程794.08m處、樁號0+063、高程795.84m處、樁號0+067、高程795.00m處存在三個集中漏水點，總滲漏量達到0.6L/s;下游壩坡在樁號0+016—0+052、高程792.12—788.17m范圍內存在散浸現象，滲漏量達0.4L/s�，F場鉆孔注水試驗資料表明：壩體土的滲透系數K=7.1×10-5—2.4×10-4，屬弱-中等透水層。綜上所述，建議進行防滲處理。壩基和壩肩屬弱透水層，可不進行防滲處理。
2、壩體穩(wěn)定性分析
新中國成立后，我國新建了許多土壩、土石壩等工程，它們在建成后，出現了大量的壩體穩(wěn)定性問題，特別是建國初期五、六十年代的許多大壩，都是三邊工程(即：邊勘察、邊設計、邊施工)，對整個工程的可靠性、安全度以及社會經濟效益均產生了重大影響。如果不加大研發(fā)力度、完善現有方法，不但會阻礙國內設計、施工技術的提高，也會浪費國家有限的資金，并且會對地區(qū)的發(fā)展造成負面影響。因此，對土石壩進行準確的穩(wěn)定分析有著十分重要的意義。目前土石壩邊坡穩(wěn)定分析的方法主要有極限平衡法(條分法)和有限單元法。
2.1極限平衡法
瑞典人彼德森于1916年首次提出了剛體極限平衡法。隨后的幾十年，大量學者針對極限平衡法中條件力的不同假設，使土坡穩(wěn)定由超靜問題變成靜定問題，解出土坡的安全系數，這樣就產生了多樣的極限平衡分析方法，針對各類極限平衡法都是在假定前提下進行計算，勢必都存在一定局限性。極限平衡法依照摩爾-庫侖強度準則做了如下假設：
穩(wěn)定分析的目的在于確定潛在破壞面的安全系數，安全系數的定義為抗滑力和滑動力之比即：
。極限平衡法將滑動土體分成若干土條，每個土條和整個滑動土體都要滿足力和力矩平衡條件。在靜力平衡方程組中，未知數的數目超過了方程式的數目，解決這一靜不定問題的辦法是對多余未知數作假定，使剩下的未知數和方程數目相等，從而解出安全系數的值。
2.2有限單元法
有限單元法在有關邊坡、壩體的抗滑穩(wěn)定分析中應用得最早、也最為廣泛，它的優(yōu)點是考慮邊坡巖土體的各向異性和不連續(xù)性，它可以給出巖土體的應力應變大小、分布規(guī)律、變化趨勢，以及屈服貫通區(qū)域等，克服了剛體極限平衡分析法假定條件較多的缺點，計算過程嚴密、計算結果精確，能從應力應變關系去分析邊坡、壩體的失穩(wěn)破壞機理，從而得出最容易發(fā)生變形破壞和首先需要采取加固措施的部位等。有限單元法也存在自身的缺陷，如求解大變形、位移不連續(xù)等問題，對于無限域、應力集中等問題的求解也不甚理想。
有限元把求解的滲流區(qū)域分成為有限個相互連接的子區(qū)域，把待定的水頭函數用子區(qū)域內連續(xù)的分區(qū)近似水頭函數來代替。這些子區(qū)域就是有限單元，簡稱有限元。這些單元的結合點稱為單元節(jié)點如圖1。
圖1、滲流區(qū)域中的微分單元體
所有滲流區(qū)域內的節(jié)點的水頭函數值就近似地代表了整體的水頭函數。這樣的求解過程實質上就是把原來用微分方程求解變換為若干個待定值的代數方程。一經求出這些未知量，就可以通過插值函數計算出各個單元內場函數的近似值，進而得到整個求解域上場函數的近似值。顯然隨著單元數目的增加，或者隨著單元自由度的增加及插值函數精度的提高，解的近似程度將不斷改進，只要單元滿足收斂要求，近似解最后將收斂于精確解。
3、結語
本文對已建水庫進行防滲加固工程中，在本文設置的工況下，防滲墻墻體存在缺陷對防滲加固效果影響最大，其次是防滲墻體底高程，影響相對最小的是防滲墻體滲透系數。
通過對具體算例較為深入細致的分析，對水位變化滲流場的分布以及由此引起的滑坡失穩(wěn)的機理和規(guī)律有了進一步的認識�？蔀槲覈‰U水庫防滲加固及其水庫運行調度提供參考，具有一定的理論意義和實用價值。
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