某病險(xiǎn)土石壩加固前后的滲流與壩坡穩(wěn)定分析

黃 靖，陳 群，呂洪旭

(四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

1 前 言

滲流是土石壩的固有特性，是伴隨水庫(kù)的蓄水運(yùn)行而發(fā)生的。土石壩建成蓄水后，如果壩料的物理力學(xué)指標(biāo)不當(dāng)，壩體的浸潤(rùn)線過(guò)高，滲漏的逸出點(diǎn)過(guò)高，導(dǎo)致滲流從下游壩坡面溢出，下游壩體大片呈濕潤(rùn)狀態(tài)，并且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，壩身土體逐漸飽和軟化，甚至在坡面上形成分布較廣的細(xì)小水流，嚴(yán)重的產(chǎn)生表面流土，或引起壩坡滑塌等失穩(wěn)現(xiàn)象，進(jìn)而危及到整個(gè)土石壩的安全［1］。

本文主要針對(duì)某土石斜墻壩由于斜墻和砂石料的滲透系數(shù)相差不大而導(dǎo)致壩體浸潤(rùn)線過(guò)高的情況，對(duì)該土石壩存在的滲流問(wèn)題及滲流對(duì)下游壩坡的不良影響，采取了設(shè)置粘土防滲墻的防滲措施，再利用Geostudio2007軟件對(duì)該土石壩穩(wěn)定滲流期進(jìn)行有限元分析，對(duì)設(shè)置防滲墻前后的滲流場(chǎng)和壩坡穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了用防滲墻加固后對(duì)壩體滲流和穩(wěn)定性的改善作用。

2 計(jì)算原理

2.1 滲流計(jì)算原理

本文是以水頭h的分布作為研究對(duì)象，將土石壩滲流問(wèn)題簡(jiǎn)化為二維滲流問(wèn)題(x－z垂直剖面)。將達(dá)西定律導(dǎo)入二維滲流連續(xù)方程便得到下式［2］:

式(1)為二維非均質(zhì)各向異性穩(wěn)定滲流場(chǎng)的基本微分方程式，kx、kz分別為x和z方向的滲透系數(shù)。

2.2 邊坡穩(wěn)定分析方法

采用計(jì)及條塊間作用力的簡(jiǎn)化畢肖普法對(duì)壩坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。采用有效應(yīng)力法分析時(shí)，畢肖普法的安全系數(shù) Fs為［3］:

式中 Wi——土條的重量;

αi——土條重力線與通過(guò)此土條底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角;

c′i，φ′i—— 分別為土條的有效粘聚力和內(nèi)摩擦角;

bi——土條的寬度;

ui——土條底部各弧面li中點(diǎn)的孔隙水壓力。

式(2)中左右兩邊都含有安全系數(shù)Fs，因此需經(jīng)迭代求解Fs值。

3 計(jì)算方案及參數(shù)

某水庫(kù)樞紐工程由主壩、石拱副壩、砂石副壩、土石副壩、放水閘、放水口及溢洪道組成。該水庫(kù)工程等級(jí)為三等，主要建筑物為3級(jí)。校核洪水為1000年一遇，校核洪水位438.57 m;設(shè)計(jì)洪水為100年一遇，設(shè)計(jì)洪水位437.94 m;正常蓄水位和死水位分別為436.14 m和428.50 m。

本文選取該工程的土石副壩進(jìn)行計(jì)算分析。該土石副壩為黏土斜墻土石壩，壩基高程為423.50 m，壩基為不透水基巖。壩頂高程 439.85 m，最大壩高16.7 m，壩頂長(zhǎng)42.0 m，壩頂寬5.6 m。黏土斜墻頂高程與壩頂同高。壩體內(nèi)壩坡坡比為1∶1.9～1∶2.75，外壩坡坡比為 1∶2.0～1∶3.5。排水棱體頂高程為427.20 m。該壩存在的病險(xiǎn)情況主要有:左壩肩下游有濕潤(rùn)區(qū)，存在繞壩滲漏;壩頂及內(nèi)、外壩坡不平整;下游壩面出現(xiàn)大面積散浸，實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線位置較高;存在白蟻建巢危害。該土石壩的最大剖面如圖1所示。

圖1 土石壩的最大剖面(無(wú)防滲墻時(shí)的計(jì)算簡(jiǎn)圖)

針對(duì)該斜墻壩存在的滲流問(wèn)題及滲流對(duì)下游壩坡穩(wěn)定性的不良影響，在壩軸線處設(shè)置了黏土防滲墻，防滲墻的寬度為0.8m，滿足抗?jié)B要求，并澆筑混凝土防滲墻深入壩基4m。

3.1 滲流計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分及邊界條件

本文基于該土石斜墻壩的最大剖面利用SEEP/W程序進(jìn)行穩(wěn)定滲流分析。設(shè)置防滲墻前后的計(jì)算模型簡(jiǎn)圖分別如圖1和2所示，在計(jì)算時(shí)對(duì)模型進(jìn)行三角形自由網(wǎng)格剖分，計(jì)算模型的有限元網(wǎng)格見(jiàn)圖3。

圖2 有防滲墻時(shí)的計(jì)算模型簡(jiǎn)圖

計(jì)算模型的邊界條件如圖3所示，迎水面上游水位以下設(shè)為定水頭邊界，以上為不透水邊界。背水面430.10m高程以上為不透水邊界。以下設(shè)為可變邊界，當(dāng)計(jì)算的水頭小于該高程時(shí)，為不透水邊界;當(dāng)水頭大于該高程時(shí)，為與高程相等的水頭邊界。壩頂和壩基均為不透水邊界。

3.2 滲流計(jì)算方案

對(duì)正常運(yùn)用條件(正常蓄水和設(shè)計(jì)洪水)和非常運(yùn)用條件(校核洪水)的各種水位以及相應(yīng)下游水位時(shí)壩體的穩(wěn)定滲流場(chǎng)進(jìn)行分析。滲流計(jì)算的工況如下:(1)正常蓄水位436.14m;(2)設(shè)計(jì)洪水位437.94m和(3)校核洪水位438.57m。

3.3 滲流計(jì)算參數(shù)選擇

圖3 計(jì)算模型的有限元網(wǎng)格圖

計(jì)算時(shí)，由于主要考慮的是斜墻和砂石區(qū)中的浸潤(rùn)線對(duì)下游壩坡的影響，因此，砂壤土保護(hù)層取與砂石料相同的參數(shù);黏土鋪蓋和黏土護(hù)坡取與黏土斜墻相同的參數(shù)。壩料的飽和滲透系數(shù)通過(guò)室內(nèi)滲透試驗(yàn)得到，計(jì)算所用的飽和滲透系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 壩料的飽和滲透系數(shù)及物理力學(xué)指標(biāo)

在穩(wěn)定滲流過(guò)程中，壩料中可能存在非飽和土體，因此要考慮在非飽和土中滲流作用的影響。非飽和土中的滲透系數(shù)不是一個(gè)常數(shù)，它是非飽和土含水量或基質(zhì)吸力的函數(shù)。

對(duì)于砂石料和黏土斜墻的滲透函數(shù)，由以下方法求出:用Fredlund等［4］提出的由級(jí)配曲線預(yù)測(cè)土水特征曲線的方法推求壩料的土水特征曲線，再由土水特征曲線和飽和滲透系數(shù)推算滲透函數(shù)。砂石料和黏土斜墻的級(jí)配曲線如圖4(a)所示，推求的滲透函數(shù)曲線如圖4(b)所示。

圖4 砂石料和黏土斜墻的級(jí)配曲線和滲透函數(shù)曲線

3.4 滲流作用下的下游壩坡穩(wěn)定分析

該土石斜墻壩穩(wěn)定滲流期的下游壩坡抗滑穩(wěn)定分析，采用規(guī)范規(guī)定的簡(jiǎn)化畢肖普法;由于建筑物等級(jí)為3級(jí)，查SL274－2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》［5］可知，在正常運(yùn)用條件下，壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最小允許值為1.3;在非常運(yùn)用條件I下，壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最小允許值為1.2。

本次分析選取與滲流計(jì)算相同的剖面，采用有效應(yīng)力法在Geostudio2007的SLOPE/W程序中對(duì)下游壩坡在有無(wú)防滲墻時(shí)進(jìn)行抗滑穩(wěn)定性分析計(jì)算。有效應(yīng)力法所需用的孔隙水壓力值為有限元滲流計(jì)算所得的孔隙水壓力值。

壩坡穩(wěn)定計(jì)算與滲流計(jì)算做類似的處理:砂壤土保護(hù)層取與砂石料相同的物理力學(xué)指標(biāo);黏土鋪蓋和黏土護(hù)坡取與黏土斜墻相同的物理力學(xué)指標(biāo)。

4 計(jì)算結(jié)果及討論

圖5、6、7分別為三種工況下的浸潤(rùn)線位置及孔隙水壓力圖?？紫端畨毫?的曲線為浸潤(rùn)線。從三圖中可以看出，壩體被浸潤(rùn)線分為兩個(gè)區(qū)域，浸潤(rùn)線以下為飽和區(qū)，其孔隙水壓力為正;浸潤(rùn)線以上為非飽和區(qū)，其孔隙水壓力為負(fù)。無(wú)防滲墻時(shí)，由于斜墻土料的滲透系數(shù)在10－5cm/s量級(jí)，防滲性能較差;砂石料的滲透系數(shù)在10－4cm/s量級(jí)，兩者的滲透系數(shù)只相差一個(gè)量級(jí)，因此下游壩殼中浸潤(rùn)線的位置較高，水流從下游壩坡逸出。浸潤(rùn)線位置受上游水影響，水位越高，壩體中的浸潤(rùn)線也越高。在壩軸線處設(shè)置了防滲墻后，在防滲墻前，浸潤(rùn)線位置基本與上游水頭持平;浸潤(rùn)線幾乎完全是在防滲墻段急劇降落;在防滲墻后，各種工況下的浸潤(rùn)線位置主要受下游水位的控制變化不大;浸潤(rùn)線在下游壩殼中位置非常低，尾部進(jìn)入壩基，水流未從下游壩坡逸出。

圖5 正常蓄水位時(shí)的浸潤(rùn)線位置及孔隙水壓力等值線

圖6 設(shè)計(jì)洪水位時(shí)的浸潤(rùn)線位置及孔隙水壓力等值線

圖7 校核時(shí)洪水位的浸潤(rùn)線位置及孔隙水壓力等值線

表2列出了在各種工況下設(shè)置防滲墻前后的壩體的單寬滲流量。從表2中可以看出，在設(shè)置防滲墻前后，各種工況下的單寬滲透流量都隨著水位的逐漸升高而增大，但是無(wú)防滲墻時(shí)的滲流流量明顯比有防滲墻時(shí)大很多，說(shuō)明防滲墻的防滲作用十分明顯。

表2 滲流計(jì)算結(jié)果 m3/d

表3列出了各種工況下的壩坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)及允許值。從表3中可看出，在設(shè)置防滲墻前后，各種工況下的安全系數(shù)都隨著水位的升高而逐漸減小，但是在三種工況下設(shè)置防滲墻前的最小安全系數(shù)Kmin均不滿足規(guī)范要求，而設(shè)置防滲墻后最小安全系數(shù)Kmin均滿足了規(guī)范要求，說(shuō)明所采取的黏土防滲墻的防滲措施取得了良好的效果。

表3 各種工況下壩坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)及允許值

圖8為正常蓄水位時(shí)下游壩坡的最危險(xiǎn)圓弧。由圖可知，無(wú)防滲墻時(shí)下游壩坡的最危險(xiǎn)滑面橫穿壩體的浸潤(rùn)線，在浸潤(rùn)線以下有較長(zhǎng)的滑面，導(dǎo)致下游邊坡的穩(wěn)定性降低。設(shè)置防滲墻后，下游壩殼中的浸潤(rùn)線降低，計(jì)算所得的最危險(xiǎn)滑面遠(yuǎn)高于浸潤(rùn)線，這對(duì)下游壩坡的穩(wěn)定是有利的。無(wú)防滲墻時(shí)下游壩坡的最小穩(wěn)定安全系數(shù)為1.290(見(jiàn)表3)，不滿足規(guī)范的要求;設(shè)置了防滲墻后的最小穩(wěn)定安全系數(shù)為1.404，滿足規(guī)范的要求，下游壩坡的穩(wěn)定性增大。同樣，設(shè)計(jì)洪水位及校核洪水位時(shí)下游壩坡的抗滑穩(wěn)定分析也得出類似的結(jié)論。

圖8 正常蓄水位時(shí)下游壩坡最危險(xiǎn)圓弧

5 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)某病險(xiǎn)水庫(kù)土石壩設(shè)置黏土防滲墻的防滲措施前后，在三種不同工況條件下進(jìn)行滲流計(jì)算和下游壩坡的抗滑穩(wěn)定分析，得出了下述結(jié)論:

(1)無(wú)防滲墻時(shí)，由于壩殼和斜墻料的滲透系數(shù)只相差一個(gè)量級(jí)，下游壩體浸潤(rùn)線位置較高，水流從下游壩坡逸出;在壩軸線處設(shè)置防滲墻后，浸潤(rùn)線在防滲墻內(nèi)急劇降落，在下游壩殼中位置非常低，有利于壩坡穩(wěn)定。

(2)無(wú)防滲墻時(shí)的單寬滲流量明顯比有防滲墻時(shí)大很多，說(shuō)明防滲墻的防滲作用十分明顯。

(3)在設(shè)置防滲墻前，下游壩坡的抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)Kmin均不滿足規(guī)范要求。設(shè)置防滲墻后，最小安全系數(shù)Kmin均滿足了規(guī)范要求，說(shuō)明所采取的黏土防滲墻的防滲措施取得了良好的效果，有效地降低了下游壩殼中的浸潤(rùn)線，保證了下游壩坡的穩(wěn)定性。

［1］高興民.土石壩壩身滲漏破壞的原因及處理方法［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)，2008，14(1):68 －69.

［2］張克恭.土力學(xué)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001:54－55.

［3］楊進(jìn)良.土力學(xué)［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2006:219－221.

［4］Murray D Fredlund，D G Fredlund，GW W ilson.Prediction of the soil－water characteristic curve from grain－size distribution and volume－mass properties［C］∥ Proceedings of the 3rd Brazilian Symposium on Unsaturated Soils.Rio de Jneiro，22 －25 April，1，1997:13－23.

［5］SL274－2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2001.