危險水力對堤壩穩(wěn)定性影響

王巍　張學(xué)賢

摘 要:危險水力條件是引起堤壩滲流發(fā)生破壞的重要因素之一,本文介紹了高水位情況下對堤壩穩(wěn)定性的影響,并結(jié)合實際情況提出防護(hù)措施。

關(guān)鍵詞:堤壩危險水力滲流

中圖分類號:TV5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)07(c)-0127-01

在潰壩險情中因滲流引起的事故很多,我國約有近萬座水庫存在滲流隱患。在小型水庫中土壩的滲漏問題十分突出,主要表現(xiàn)為下游土壩發(fā)生散浸、集中滲漏、沖刷滲漏、管涌等。在進(jìn)行滲流整體穩(wěn)定性分析的時候,應(yīng)充分考慮到作用在壩體上的滲透力,考慮滲流大小和方向?qū)Υ髩握w穩(wěn)定性的影響。在進(jìn)行局部穩(wěn)定性分析時,應(yīng)考察因地下水原因產(chǎn)生的滲透坡降。土壩都有特定的土力學(xué)特性,如強(qiáng)度指標(biāo)等,這些是無法改變的,為防止壩坡發(fā)生滲流現(xiàn)象,應(yīng)確定堤壩的危險水力范圍,采取措施改變地下水對堤壩的影響,提高工程安全度[1]。

1 堤壩危險水力研究

危險水力存在的情況有:地下水位高的邊坡,高水位的背水坡,降雨量比較飽和的壩坡等。如果高水位的下游坡沒有采取一定的排水措施,就會出現(xiàn)很高的地下水浸潤線,滲流點處滲透力變得與壩坡平行,將會出現(xiàn)由滲流產(chǎn)生的壩體局部破壞;在降雨發(fā)生期間因為浸潤線上土體基質(zhì)發(fā)生的變化,如吸力消失、內(nèi)摩擦角減小等,則會發(fā)生滑坡破壞。因此,對危險水力條件下的堤壩進(jìn)行研究,如進(jìn)行現(xiàn)場模擬試驗、有限元法數(shù)值模擬、滲流分析、穩(wěn)定性分析等是非常重要的。

1.1 上游一直處于高水位情況下的堤壩

堤壩上游水位如果長期處于較高的狀態(tài),壩體被浸透就可能形成滲流,排水反濾設(shè)計若不是很合理,滲流處會發(fā)生滲透現(xiàn)象,且下游不透水的均質(zhì)壩腳更易發(fā)生破壞。所以堤壩應(yīng)該以排滲和反濾為主,注重滲流口的滲透參數(shù)的穩(wěn)定。

美國專家太沙基是最早提出設(shè)計反濾層防止堤壩的破壞,隨后進(jìn)行的試驗驗證了其設(shè)計的準(zhǔn)確性,并對其進(jìn)行了補(bǔ)充和完善,之后學(xué)者經(jīng)過不斷的實踐設(shè)計出新的反濾層。

1.2 邊坡處于高地下水位的狀況

水是引起水利事故的關(guān)鍵因素之一,河道的水位變化會引發(fā)邊坡附近地下水位的變化、滲流引發(fā)巖土體重度與抗剪度的改變、大水會對堤岸邊坡腳產(chǎn)生侵蝕等。高水位時堤岸在水中浸泡達(dá)到飽和,巖土體含水重量急劇增大,故抗剪強(qiáng)度大大減低,導(dǎo)致當(dāng)水位發(fā)生驟降時土體沒有了原來水體提供的頂托力,再次出現(xiàn)高水位時就容易發(fā)生堤岸滑脫坍塌[2]。

考察國內(nèi)江堤后認(rèn)為大部分的堤壩建筑都忽略了地下水流的危害,而實際上高地下水位對堤壩的危害與洪水是相當(dāng)?shù)?都需要改造進(jìn)行流向疏導(dǎo),避免破壞岸坡。

1.3 水位降落期非穩(wěn)定性分析

水位下降時,壩體內(nèi)地下水會有向下的分速度,在同一垂直斷面上,在上部的孔隙水壓力一般大于下部的,尤其是水位驟降情況下,水壓力產(chǎn)生的阻滑力減小,但壩體存在較大的水平向和垂直向滲透力,堤壩的穩(wěn)定性就會變差。水位降落速度越小,浸潤線最高點與滲出點間水平向滲透坡降就會越小,水平向滲透力越小,從而上游坡滲流局部和整體穩(wěn)定性就越好[1]。

1.4 常用研究方法

安全監(jiān)測技術(shù)是確保大壩正常運(yùn)行的重要手段,可預(yù)防事故的發(fā)生,為進(jìn)行評價工程運(yùn)行是否安全提供有效的依據(jù)。常用的監(jiān)測方法有高密度電阻率法、面波勘探、電磁法等,通過探測對堤壩地質(zhì)加以分析,可以確定各種不利的影響因子,對大壩安全性狀做出綜合分析,進(jìn)行風(fēng)險評估,具有非常重大的意義。

常用的滲流分析方法有理論分析法、試驗分析法和資料觀測分析法等,根據(jù)滲流水力梯度、滲透流速、水頭等特點,滲流分為穩(wěn)定和非穩(wěn)定滲流。當(dāng)滲流參數(shù)隨時間而發(fā)生變化時,就是非穩(wěn)定滲流,自然環(huán)境中各種因素的影響,地下水位是不斷變化的,所以多數(shù)情況下存在的都是非穩(wěn)定滲流。但是在實際考量過程中,我們習(xí)慣將地下水位變化不大的非穩(wěn)定滲流近似看作穩(wěn)定滲流來計算。

滲流計算是通過求解滲流基本方程,計算出滲流量和水頭等參數(shù)。但是因為存在浸潤線,加上浸潤線隨水位變化而變化,故滲流場具有非均勻性。各種復(fù)雜的條件給方程求解帶來許多的困難,在實際工程中需要借助于模擬軟件試驗。隨計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)值計算的進(jìn)步,推動了滲流數(shù)學(xué)模型的發(fā)展,現(xiàn)在的有限元計算方法能夠很好地解決非均質(zhì)性、條件復(fù)雜的問題[3-4]。

2 高水位大壩滲流防護(hù)措施

河道長期處于較高水位運(yùn)行狀態(tài)時,堤壩則會完全地浸透并形成穩(wěn)定的滲流。如果下游排水設(shè)施失效、上游沒有鋪蓋粘土層、下游坡較陡等措施,加上壩體內(nèi)存在蟻穴蛇鼠洞等暗涌通道時,地下水就會在下游坡面或坡腳處集中滲漏,就會出現(xiàn)散浸危險情況,嚴(yán)重就會發(fā)生管涌直接破壞滑坡。目前處理這種事故的方法:上游坡鋪蓋粘土層、下游坡坡面及坡腳處設(shè)計疏導(dǎo)滲流的溝槽、下游坡鋪設(shè)反濾層等[5]。

當(dāng)水庫地下水位高于河道水位時,地下水就容易在岸坡上產(chǎn)生滲流,若堤身材料不能有效阻止出滲時,就會造成險情。可在岸坡上設(shè)計排水減壓井,抽出減壓井內(nèi)滲水,就能有效改變地下水流向,地下水不能在岸坡上出滲。

當(dāng)?shù)虊翁幱谖ｋU水力情況下時,應(yīng)采取以排滲為主,防滲與排水相結(jié)合的措施,加設(shè)反濾層為堅強(qiáng)后盾。再結(jié)合塊石壓腳、減壓井降低浸潤線等工程措施,最終可達(dá)到降低堤壩浸潤線高度、減小滲流對岸坡沖擊的影響、疏導(dǎo)地下水流向、防止?jié)B流最開始在滲出點產(chǎn)生破壞。

3 堤壩滲流穩(wěn)定模擬分析

堤壩滲流穩(wěn)定模擬分析可以應(yīng)用軟件進(jìn)行計算,結(jié)合各種危險水力和試驗條件,就能夠知道危險水力條件對堤壩滲流和邊坡穩(wěn)定的影響程度。應(yīng)用軟件可以分析比較不同材料、不同降落速度對滲流與穩(wěn)定性的影響,然后我們就可以確定水位下降時非穩(wěn)定滲流計算指標(biāo)參數(shù),隨后可以比較堤身材料在非穩(wěn)定滲流的情況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與庫水位之間的關(guān)系,進(jìn)而討論不同壩體型式對滲流和穩(wěn)定性的影響,最后總結(jié)出不同條件下水位與坡面滲出點高度之間的關(guān)系,得到關(guān)于危險水力對堤壩滲流和穩(wěn)定的資料。

有文獻(xiàn)[5]經(jīng)過滲流軟件的模擬得出結(jié)論,堤壩的排水設(shè)施條件越好、水位降落速度越慢,滲流局部穩(wěn)定性就會越好,滲流場特性越好,抗滑穩(wěn)定性越好。

4 結(jié)語

堤壩滲流是影響其穩(wěn)定性的最重要因素之一,對危險水力條件下堤壩進(jìn)行深入研究是非常有價值的,對防止水利事故的發(fā)生是至關(guān)重要的。

參考文獻(xiàn)

[1] 張大偉,曾紅鷹,段祥寶.危險水力條件對堤壩穩(wěn)定性影響的模擬[J].水運(yùn)工程,2010,9:22-26.

[2] 鄭穎人.庫水作用下邊坡穩(wěn)定性分析[J].巖土工程學(xué)報,2007,29(8):1115-1121.

[3] 趙瑜.堤壩防滲加固的控制理論與應(yīng)用研究[D].天津大學(xué),2008.

[4] 劉小生,吳祥松,袁海平.面向?qū)ο笥邢拊椒ㄔ诖髩螡B流計算中的應(yīng)用[J].有色金屬(礦山部分),2003,55(2):11-14.

[5] 張大偉.危險水力條件對堤壩穩(wěn)定影響模擬研究[M].揚(yáng)州大學(xué),2009.