不同水库除险加固方案渗流特性研究

张 放，武 林

(1.兰州有色冶金设计研究院有限公司沈阳分公司，辽宁 沈阳 110000；2.中国冶金矿业鞍山冶金设计研究院有限责任公司，辽宁 鞍山 114000)

水资源是居民赖以生存的物质基础，城市经济的发展和居民日常生活保障离不开水资源的正常提供。针对国内目前水资源缺乏的现状，国家近年来投入大量资金用于水利工程的兴建，这些水利工程的兴建在一定程度上缓解了国内水资源紧缺的问题，同时兼顾防洪、发电、灌溉等综合效用，促进了国内经济的发展。截止到目前，国内已建成水库超过8万座，其中以中小型水库为主，水库设施的建立极大程度上缓解了水资源压力。

由于现如今国内的大多数水库在修建过程中的经济水平较落后，在一定程度上影响了水库的质量，因此对于水库的运行管理与除险加固成为现如今行业内的工作重点及难点。运行管理制度的不合理、主体结构的老化造成了水库坝体质量下降，表现最明显的是对渗流的影响。坝体渗水严重，直接影响了其使用寿命，甚至有溃坝的危险，同时泄水建筑物强度等级不够，也会影响水库运行。

目前水库虽然采取了相应的加固措施，但并未得到其具体的治理效果，为研究出水库最优的除险方案，本文主要通过模型试验的手段，采取不同的加固措施，对水库坝体进行加固，加固措施采取原土夯实、浆砌石和混凝土3种加固方法，研究3种方法下坝体渗流的影响，并找出不同措施对水库泄水建筑物溢洪道的影响，找出最优措施，并将措施应用于实际工程，再综合分析该方法的效益，得出最优加固方案。

1 试验设计

为了得出不同加固方案的效果，本文基于模型试验的手段研究3种加固方案的加固效果，模型以实际工程原型为基础，采用模型相似理论进行比例缩放，保证模型所处环境与实际情况相符，采用几何相似、动力相似和运动相似3种理论缩放模型，具体公式可见文献[6]。试验场地100cm以内土壤层土质及相关参数情况见表1。水库除险加固共采用3种加固方案，分别为基床土料夯实、浆砌石加固和混凝土加固，在每个试验小区分别布置3根TZS型土壤水分传感器，测定在不同措施下土壤的土壤入渗速率，以此为依据验证不同效果。

表1 不同土层土壤属性表

图1 不同措施下土壤入渗速率对比

图2 不同防渗措施泵站站基渗流场对比

2 试验结果与分析

2.1 不同处理土壤入渗速率对比

图1为监测得出的不同加固措施下的土壤入渗速率对比。由图1可以看出，随着时间的增长，不同方案的土壤入渗速率变化趋势均呈先降低后平稳的趋势，而土料夯实措施下的土壤入渗速率最高，在100min内的平均入渗速率为0.18cm/s，而浆砌石措施和混凝土措施的土壤平均入渗速率相差不大，分别为0.12、0.11cm/s，土壤累积入渗量表现为相似的变化规律。

图2为不同措施下水库坝体的渗流场。由图2可以看出，不同措施下渗流场明显不同，防渗措施效果越好，其浸润线越低，3种方法浸润线由高到低依次为土料夯实、浆砌石和混凝土，而混凝土和浆砌石这2种防渗措施的渗流流场差距不大。表明这2种措施的加固效果接近，混凝土效果略高于浆砌石。

2.2 不同处理下溢洪道渗漏强度模拟

以梯形溢洪道为例，采用变水位静水法对不同处理下水库溢洪道的渗漏强度进行模拟，得出渗漏强度函数，更好地佐证了该措施的加固效果。溢洪道的计算简图如图3所示。其中，h为水深，m；α为坡面角度，°；B为底宽，m；Bw为水面宽度，m；Δh为渗漏时长Δt对应的水深差，m。

图3 溢洪道渗漏强度计算示意图

溢洪道渗漏强度可表示为：

(1)

式中，qs—溢洪道渗漏强度，L/(m2·h)；χ—观测时间段内平均湿周，m。

当L取单位长度时，渗漏强度的每一项均可换为水深h的函数，则式(1)可变为：

qs=h[t(h)]·Bw(h)/χ(h)

(2)

通过监测水深变化，得出水面宽Bw、水深h，并绘制Bw与h散点图，形成回归方程，带入公式(2)中即可获得渗漏强度的函数，求得渗漏强度。

模型溢洪道尺寸为底宽1.5m，坡面角度32°，模拟3种不同加固方式下的溢洪道渗漏强度，绘制不同加固措施下水深与时间关系曲线，结果如图4所示。由图4可以看出，随着时间的推移，溢洪道内水深越来越低，水深与时间之间存在较好的二次函数关系。

图4 溢洪道时间与水深的关系

分别对3种措施下的时间与水深关系式进行反函数求解，然后求导，设函数一般形式为t=a·h2+b·h+c，最终求得的导数为：

(3)

分别求得Bw与χ的关系式，代入公式(2)，求得在3种加固措施下的溢洪道渗漏强度函数。

土料夯实措施：

浆砌石措施：

混凝土措施：

3 实例效益分析

昌图县西大桥水库位于昌图县老城镇境内，辽河一级支流亮子河上。大坝坝址控制流域面积为17.7km2，河长9.0km，河道比降2.8‰。其存在的主要问题为大坝主河槽段坝体受下游水动冲刷破坏严重，且存在轻微渗漏迹象，原有溢洪道现已严重损坏，进口导流及出口消能设施完全损坏，在汛期对水库泄洪造成严重安全隐患。经本文研究，采用浆砌石对坝体进行重新加固，并对溢洪道进行检修，溢洪道尺寸为底宽2.5m，坡面角度32°，图5反映了实测溢洪道渗漏强度与预测值的关系，表明了模拟值的精确性。

图5 实测值与模拟值的关系

采用浆砌石方案进行坝体加固，在保证加固效果的前提下，可大幅度降低造价，目前工程造价为105.72万元，若采用混凝土进行加固，同等标准下的造价将提高65.20万元，效益提高显著。因此，在允许的情况下，采用浆砌石进行水库加固为较稳妥、较经济的加固措施。

4 结语

水库除险加固是现如今水利工程的工作重点，本文以原土夯实、浆砌石和混凝土3种加固措施为基础出发，从渗流角度研究了不同措施下的加固效果，分析得出不同加固措施对坝体和溢洪道的影响，并基于变水位静水法得出溢洪道在不同措施下的渗流强度关系式，以实例验证了关系式的准确性，得出了浆砌石为最经济效果最好的加固措施的结论。