滲流作用下土石壩防滲探討

計磊 王博

在我國20世紀70年代以前修建的大壩,約有8×104座已運行了30年以上,有的將近半個世紀,其中相當一部分大壩存在病變和缺陷。隨著時間的推移,大壩運行的各種條件(如結構、基礎、環(huán)境等)將發(fā)生變化,再加上建壩時的缺陷、運行不當、環(huán)境變化等因素,使大壩一定程度上存在著設計標準偏低、基礎滲漏、壩體結構性狀衰減甚至惡化等影響大壩安全的問題,即使有些質(zhì)量較好的工程,本身也存在材料變質(zhì)或老化等影響大壩安全的問題,這就使得大壩失事的潛在危險加大,失事幾率也隨著上升。這不但影響了工程效益的發(fā)揮,而且會直接威脅到下游人民群眾的生命財產(chǎn)安全。工程老化問題嚴重影響著大壩的安全,就滲流而言,大壩建成蓄水后,隨著時間的推移,滲流環(huán)境將發(fā)生變化。首先,蓄水前壩址區(qū)液固兩相間的相互作用處于相對平衡狀態(tài),蓄水后這種平衡就可能被破壞;其次,在較大的水頭差作用下,壩基的薄弱部位可能產(chǎn)生機械侵蝕,從而造成滲流破壞。滲流問題是水工建筑物不同于民用建筑物的主要方面,滲流分析是水工建筑物設計的重要內(nèi)容。滲流會引起對水工建筑物穩(wěn)定不利的滲透壓力,滲流也可能引起水工建筑物及地基的滲透變形破壞,過大的滲流量還會造成水庫的嚴重漏水。

1 土石壩被廣泛應用的原因

1)適用條件廣。能廣泛應用于各種不同地形、地質(zhì)和氣候條件,任何不良的壩址地基和深層覆蓋層,經(jīng)過處理后均可填筑土石壩。2)可就地取材。由于近年設計、施工技術的發(fā)展,放寬了對筑壩材料的要求,幾乎所有的土石壩都可分區(qū)上壩,充分發(fā)揮就地取材的優(yōu)勢,并為導流、泄水建筑物等大開挖創(chuàng)造了條件。3)經(jīng)濟效益好。由于就地取材,從而可以節(jié)省大量水泥、鋼筋和木材,減少工地以外的運輸量,大幅度地縮短工期和降低造價。在工程規(guī)模相同的條件下,土石壩的壩體方量雖然比混凝土重力壩大4倍～6倍,但其單價國外僅為混凝土的1/20～1/15,有些國家甚至降到1/70～1/30。經(jīng)過分析論證,土石壩工程的綜合經(jīng)濟指標比混凝土低得多,造價最經(jīng)濟。

2 研究土石壩滲流問題的方法

解析法系指利用有關數(shù)學手段直接定解基本微分方程的方法。通過解析解可得到關于水頭函數(shù)在所研究區(qū)域內(nèi)分布的顯式表達式。它既滿足基本方程,又滿足給定的邊界條件。一般地說,解析解是比較精確的,但其實用性差,這是因為到目前為止所見到的解析解都是針對各向同性均質(zhì)滲透介質(zhì)和簡單邊界調(diào)節(jié)條件而建立的。該方法只能適應于均質(zhì)的簡單的工程,而對于有土工膜、排水褥墊等復雜邊界條件的壩體,在計算理論未取得突破性進展前,該法使用受限。電擬法是基于電場和滲流場符合同一形式的控制方程而進行求解的。電擬模型對滲流來說是個數(shù)學模型,而不是物理模型。電擬法目前主要采用兩種模型,即導電液模型和電網(wǎng)絡模型。由于導電液模型為連續(xù)介質(zhì)模型,故它便于模擬急變滲流區(qū)問題,但用它無法模擬非均質(zhì)各向異性滲透介質(zhì),也不適應復雜的地質(zhì)和邊界條件。為了模擬更加復雜的滲流場,逐步發(fā)展和研究了電網(wǎng)絡模型,即電網(wǎng)絡法。該方法既可基于差分原理建立,也可基于變分原理建立,其基本原理是基于網(wǎng)絡電路問題的解和滲流場的數(shù)值解符合同一形式的差分方程和變分方程。由于基于變分原理而建立的電網(wǎng)絡法吸收了有限單元法的優(yōu)點,故使該方法在模擬曲線邊界和各向異性滲透性方面得到一定改進,盡管電網(wǎng)絡法在滲流分析中沿用已久,但由于它具有容量、穩(wěn)定性基本不受限制和在解題過程中不產(chǎn)生累積誤差等特點,目前仍是求解大型復雜滲流場的有效工具。

3 土石壩地下水滲透數(shù)學模型的選用

1)布辛內(nèi)斯克方程。布辛內(nèi)斯克方程是將緩變滲流簡化為水平面滲流的支配方程,適宜于研究大區(qū)域地下水運動;土石壩滲流只能計算滲流自由面變化位置,而且還得考慮壩坡邊界的簡化處理問題,結果可靠性差。2)拉普拉斯方程。拉普拉斯方程是逐時段求解瞬時穩(wěn)定流場。結合自由面下降速度的計算,是求解非穩(wěn)定滲流的最早的方法。計算結果表明:自由面下降速度與其他方程相比最慢;內(nèi)部流場分布,靠近壩坡的孔隙水壓力水頭值最低。如果將自由面改為流量補給邊界,則自由面下降速度略快,同時內(nèi)部孔隙水壓力消散也略轉(zhuǎn)快。原因可能是把自由面作為下降流速邊界處理時,計算所根據(jù)的是各時段的瞬時穩(wěn)定流場所致;其次所取時段的降距常小于劃分單元的高度,而用單元平均速度計算時也有導致自由面下降速度偏慢的趨勢。因此不如把自由面作為流量邊界處理為好,此時在有限元計算中能直接反映于計算公式作連續(xù)計算。3)擴散方程。擴散方程是直接依賴于時間項計算的。自由面邊界不作任何補給條件處理時,計算結果與其他方程相比,自由面下降最快。而內(nèi)部流場分布,靠近邊坡的孔隙水壓力水頭值最高,水頭坡降最大,但其消散速度也最快;在上游水位下降后的開始階段顯示出急速地向邊坡排水的趨勢,對邊坡穩(wěn)定極為不利;經(jīng)歷長時間后,計算結果漸趨近于拉氏方程的流場分布。如果將自由面邊界加上流量補給條件進行計算,自由面下降速度轉(zhuǎn)慢,其值介于拉氏方程結合自由面下降速度和結合流量補給條件的兩種處理方法的計算結果之間。由此可見,自由面邊界條件是否合理,影響很大。由于擴散方程的推導基于杜布依假定,嚴格地說,該方程只適用于自由面變化不大、沿深度方向滲流坡降變化也不大的均質(zhì)土壩情況。4)固結方程。固結方程的推導考慮了土體壓縮性,能夠適應黏土筑壩的各種固結情況。在自由面下降過程計算中,流場內(nèi)部水頭可能出現(xiàn)高于自由面以及流場內(nèi)孔隙水壓力水頭的消散遲后于自由面邊界的變化等現(xiàn)象都能合理的加以解釋。至于認為沒有壓縮性的,完全固結的土石壩問題,則是方程的特例,即拉氏方程。

4 結語

壩體及壩基砂礫石一般為土骨架、水和氣所組成的三相體,在實際中應將三者綜合起來加以考慮。土石壩以及壩身內(nèi)設置的防滲墻、基礎既是滲流場,同時也是復雜的應力場和位移場,壩體周圍地表和土體在滲流的作用下會產(chǎn)生沉降和固結,這種效應反過來又會影響壩體周圍的滲流場。實際工程中,需要建立一套新的運動微分方程,通過數(shù)值方法編寫相應的計算程序,來解決非穩(wěn)定滲流情況下大壩應力變形及防滲問題。

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