山谷灰場土壩壩體及壩肩滲流分析

周成利，張全紅

（山西省電力勘測設(shè)計院，山西 太原 030001）

1 灰場狀況

1.1 工程概況

陽坡灰場是大唐太原第二熱電廠（“太二”）的現(xiàn)役灰場，為水力除灰式山谷灰場。初期壩為碾壓式帶排水褥墊的均質(zhì)土壩，壩頂高程1 008.00 m，壩高54.00 m，相應庫容407.53萬m3；采用逐級碾壓粉煤灰加筑子壩（共3級）的方式加高灰壩，灰場最終標高為1 020.00 m，最終壩高66 m，相應庫容為772.92萬m3。按《火力發(fā)電廠灰渣筑壩設(shè)計技術(shù)規(guī)定》 （DL/T 5045—1995），灰壩設(shè)計標準定為二級，本區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度。

陽坡灰場2004年10月投入運行，2008年加筑了第一級子壩，2010年加筑了第二級子壩，現(xiàn)準備加筑第三級子壩。為確保加筑三級子壩后灰場安全運行，對灰場進行了有限元滲流和穩(wěn)定分析，本文主要介紹滲流分析部分。

1.2 地質(zhì)和壩體初期概況

據(jù)灰場地質(zhì)情況，壩址地段露出的地層中，1層、2-1層和2-2層不適宜作為水力貯灰壩的壩體持力層，必須挖除。5層、6-1層、6-2層為兩壩肩較好的持力層，剝離溶蝕層后將壩體嵌入適當深度。7層為奧陶系石灰?guī)r，為壩體良好的下臥層。3層濕陷性黃土（新近堆積黃土），壩址地段為Ⅱ級非自重濕陷性黃土和Ⅲ-Ⅳ級自重濕陷性黃土。其厚度較小，應全部挖除后作為壩料。4層濕陷性黃土在壩址地段主要分布于兩側(cè)壩肩，分為Ⅰ級非自重濕陷性黃土區(qū)和Ⅱ級非自重濕陷性黃土區(qū)，對于兩側(cè)壩肩下段的Ⅰ級非自重濕陷性黃土區(qū)，由于其厚度較小，在壩軸地段全部清除濕陷性黃土后，將壩肩嵌入Q2黃土（粉土） 或N2粉質(zhì)粘土層中適當深度。針對上述情況對兩壩肩上半部分的Ⅱ級非自重濕陷性黃土，采用了單液硅化法加固濕陷性黃土。

南壩肩區(qū)的小型沖溝、陡坎及坍塌很發(fā)育，地形為臺階狀，地勢較陡峭。南壩肩東側(cè)20 m處為深約25 m的臨空面，該臨空面從壩基向南一直延伸至壩肩頂部后緣約30 m處，且局部呈繼續(xù)坍塌狀；南壩肩以西約50～60m處為一弧形黃土塌陷區(qū)，弧長約60 m，半徑約30 m，塌陷深度為10～25 m左右，緊鄰壩軸的坍塌區(qū)邊緣3 m左右已發(fā)生寬約1.0～1.5 m的裂縫，裂縫深度大于10 m，該陡坎呈分層次繼續(xù)坍塌狀，對壩肩的滲流和邊坡穩(wěn)定性不利。為此，在初期設(shè)計時進行了帷幕灌漿防滲處理，防滲墻厚800 mm，帷幕灌漿延壩頂深入壩體內(nèi)50 m左右，帷幕灌漿深度22 m。

為確定防滲帷幕的范圍和深度，對該灰場的壩體和南壩肩進行了有限元滲流分析。

2 滲流有限元計算方法及計算結(jié)果分析

2.1 滲流計算

滲流計算的目的主要是為了求得浸潤線位置、滲流量和孔隙水頭或水力坡降。前者用于計算邊坡穩(wěn)定時確定飽和區(qū)和非飽和區(qū)及估計渠道的滲流損失，后者用于估計滲流對土體的破壞作用。求解滲流問題的數(shù)學方法有三種：近似方法或水力學方法，解析解法，數(shù)值解法。第一種方法是把滲流方程簡化以后求解，比較簡便實用，但只適用于均質(zhì)土及簡單的邊界條件；第二種方法在20世紀50年代以前獲得過迅速的發(fā)展，曾求得許多問題的精確解，但也只適用于理想化的簡單情況；第三種方法雖然在早期就有人用差分法算過，但只有在1965年Zienkiewicz引入有限單元后才獲得迅速發(fā)展。本文所述滲流計算采用二維平面有限單元法進行，按非穩(wěn)定滲流考慮。以水頭h為未知值，二維非穩(wěn)定滲流場應滿足定解方程。

其中Γ1為水頭邊界，Γ2為流量邊界，微分方程的解答可歸結(jié)為求泛函的極小值。

式（2）右端末項為第二類邊界積分，經(jīng)過取泛函極小值后，計算中即自動達成第二類邊界條件，至于第一類邊界條件，計算中直接賦予已知的邊界水頭值。式（2） 中kx、kz為土料水平向和垂直向的滲透系數(shù)。將計算區(qū)域進行離散，由式（2）經(jīng)一系列推導即可得到滲流有限元分析支配方程。

在滲流計算時，由于自由面或者浸潤面是未知的，因此計算域本身是未知的。本文計算時是把自由面以上的非飽和區(qū)和自由面以下的飽和區(qū)同時予以考慮，計算所得的零孔隙壓力線即為自由面。具體計算時把滲流域分成非飽和的負壓區(qū)、飽和的正壓區(qū)和過渡區(qū)三部分，并把滲透系數(shù)隨孔隙壓力的變化簡化成三段折線，假定負壓區(qū)的滲透系數(shù)很小，等于飽和區(qū)的1/100，過渡區(qū)內(nèi)的滲透系數(shù)隨孔隙壓力呈直線變化。由于過渡區(qū)內(nèi)的滲透系數(shù)隨孔隙壓力而變，此項計算也要用迭代法進行。

圖1—圖5給出了壩體最大橫剖面在不同工況下壩體內(nèi)及南壩肩滲流等勢線圖。

圖1 壩體最大橫剖面貯灰至1 006.5 m高程時壩體內(nèi)滲流等勢線圖

圖2 子壩加高三級貯灰至1 018.5 m高程時壩體內(nèi)滲流等勢線圖

圖3 子壩退后50 m同時設(shè)置50 m干灘面貯灰至1 018.5 m高程時壩體內(nèi)滲流等勢線圖

圖4 子壩加高三級貯灰至1 018.5 m高程加排水盲溝后的壩體內(nèi)滲流等勢線圖

圖5 子壩退后50 m同時設(shè)置50 m干灘面后南壩肩滲流等勢線圖

從圖1中可以看出，設(shè)計65 m長的排水棱體有效降低了初期壩體內(nèi)的自由面。在加筑三級子壩后保持50 m干灘不采取任何措施時，浸潤線將從子壩坡上溢出，不滿足滲透穩(wěn)定性要求（圖2）。而將子壩后退50 m仍保持50 m干灘時，浸潤線在子壩的坡腳溢出，仍不能滿足滲透穩(wěn)定性的要求（圖3）。為保證子壩壩體內(nèi)的自由面不從子壩上部滲出，在三級子壩的第一級子壩下方加排水盲溝并保持50 m的干灘面時有效地降低了浸潤線（圖4）。

2.2 測壓管觀測結(jié)果

為了驗證庫水位與測壓管之間的關(guān)系，對初期壩體內(nèi)設(shè)置的測壓管觀測的水位與灰?guī)靸?nèi)的水位進行回歸分析（見圖6、圖7）。

圖6 太原第二熱電廠陽坡溝測壓管位布置示意圖

圖6為太二陽坡溝測壓管位布置示意圖，圖7給出了測壓管管水位的變化過程線。由測壓管水位觀測結(jié)果可見：除失效的5號、6號、9號、11號和13號5支測壓管外，3號測壓管的管水位雖與庫水位也有一定的相關(guān)性，但其管水位明顯偏低，觀測結(jié)果可能不能反映真實情況，其余的7支測壓管的管水位變化與灰面高程（庫水位）變化均呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性。

由圖7可見，2號測壓管的實測值[5]與反饋計算值相當接近，而8號測壓管的計算值則小于實測值。

圖7 灰面高程和測壓管水位變化過程線

式中，ht為t時刻 （單位為d） 管水位；Ht-ni為tni時刻庫水位，由于資料較少，本次取t，t-30，…，t-60時刻庫水位分析；C0～Cn+3為回歸系數(shù)；T為時效因子，自始測時間起的天數(shù)乘以0.01。

本次僅對資料較全的1號、2號、8號和12號管進行了統(tǒng)計分析，表1給出了本次統(tǒng)計分析的結(jié)果。其復相關(guān)系數(shù)達到0.99，表明各測點與庫水位的相關(guān)程度較高，各點對滯后時間的響應不盡相同，離上游面越遠，管水位滯后時間越長。一般來講，三維滲流狀態(tài)呈現(xiàn)河床部位自由面底，而兩岸較高的特點，由于本次反饋分析是采用平面有限元進行的，因此河谷部位的計算值會小于岸坡部位的實測值。

2.3 測壓管管水位與灰面高程（庫水位）相關(guān)關(guān)系分析

土石壩滲流是自由面滲流，壩體內(nèi)各點孔隙水壓力主要與庫水頭、庫水位升降速率有關(guān)。在庫水位變化過程中，壩體內(nèi)孔壓水頭的變化要滯后于庫水位的變化，滯后時間的長短與壩體滲透性、該點距上游面的距離等因素有關(guān)。防滲體滲透系數(shù)越小，測點距上游面越遠，滯后時間越長。本次分析考慮庫水位變化因子、測點水位滯后因子、時效因子等對測點水位影響較大的因子，進行多因子逐步回歸分析。分析模型為

表1 管水位統(tǒng)計分析結(jié)果

3 壩體及南壩肩防、排滲措施

為滿足加高三級子壩后灰場的安全性，從圖2—圖4中可看出只有在一級子壩前設(shè)排水盲溝可滿足要求。故在一級子壩前需設(shè)排水盲溝一條。排水盲溝寬6 m高2 m，沿子壩前通長設(shè)置。每隔100 m用1根DN250鋼管，將盲溝中滲水引至下游排水明渠。

鑒于目前初期壩體裂縫較為嚴重，為盡量降低子壩加高對初期壩壩體應力變形的影響，將子壩退后50 m，這樣處理后不會由于子壩加高使壩體產(chǎn)生新的裂縫或使現(xiàn)有裂縫進一步擴大，也能降低壩體內(nèi)的浸潤線。在設(shè)計上要求灰場運行時子壩上游保持50 m以上的干灘面，確保子壩的滲透穩(wěn)定性。

子壩加高影響最大的另一因素是南壩肩的滲透穩(wěn)定性。由于在目前的貯灰面高程下，因南壩肩山體比較薄弱，為防止?jié)B透破壞需對其進行排滲和防滲處理，處理的方式為將南壩肩的上游坡整理成1∶1～1∶1.5的邊坡，在整平的邊坡面上用土工膜進行鋪蓋，土工膜上每隔2 m沿高度方向鋪設(shè)直徑為60 mm的軟式排滲管。排滲管之間用碎石回填，厚度為0.2 m，排滲管底部連接到直徑為100 mm的軟式透水管，該透水管與一級前設(shè)置的排水盲溝連通，通過排水盲溝將滲水排到壩體下游。防滲墻可以有效降低壩肩內(nèi)的浸潤線，防止灰水從壩肩上部溢出，從而保證壩肩的滲透穩(wěn)定性。

由于地質(zhì)條件復雜，2005年11月巡視時發(fā)現(xiàn)該灰場南壩肩山體根部透水，庫外一側(cè)滲漏十分嚴重，且隨著灰場貯灰面的上升，浸潤線出逸點的位置有抬高的趨勢，可能嚴重影響南壩肩的安全，除可能發(fā)生滲透破壞以外，土體的濕陷性也可能會導致山體的塌陷破壞。根據(jù)南壩肩的地形條件，為保持黃土坡的滲透穩(wěn)定性，確?；覉瞿馨踩\行，采取如下工程措施：南壩肩旁邊的1條沖溝，是排泄地表水及灰場滲出水的天然通道，必須保持暢通無阻,2005年底處理滲漏時在出口段修建了排滲反濾體，為了應對貯灰面抬高后滲流場的變化，將排滲反濾體向溝內(nèi)進一步延伸；建立良好的完善的地表排水系統(tǒng)，在暴雨久雨的自然條件下，仍然只有少量的水滲入壩肩滑體內(nèi)，而極大部分水從地表排泄；對南壩肩上部的滲透出逸點采取貼坡排水措施，對外坡進行整坡和培土加固處理。目前看來上述工程措施是實用有效的，初期壩和子壩的穩(wěn)定性是有保障的。

4 結(jié)論

針對灰場工程地質(zhì)條件，考慮不同工況下土壩壩體及壩肩內(nèi)的滲流狀態(tài)，采用二維平面有限單元法進行分析計算，進一步分析了壩體滲流可能存在的問題，評價壩體和壩肩的滲透穩(wěn)定性；將后期子壩后移50 m，并增加子壩下排滲盲溝，保持干灘長度在合理范圍內(nèi)等多項壩體及壩肩的防、排滲措施，主動疏導水流，防止?jié)B透水流從下游壩坡及壩肩出逸。上述工程措施已經(jīng)得到了具體的實現(xiàn)，目前看來防、排滲措施是實用有效的，確保了子壩加高及整個灰場的安全運行。