土壩除險加固防滲方案必選研究

曹建宇

摘 要：本文基于筆者多年從事土壩防滲的相關研究，以土壩除險加固防滲為研究對象，論文首先探討了除險加固的研究方法，進而比較了防滲方案，在此基礎上，給出了大壩滲流計算和大壩壩坡抗滑穩(wěn)定計算的結果，并進行了分析，全文是筆者工作實踐基礎上的理論升華，相信對從事相關工作的同行能有所裨益。

關鍵詞：土壩 除險加固 防滲方案 壩坡穩(wěn)定

中圖分類號：TV697 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）07（b）-0050-02

隨著一些土石壩的使用年限增加，加上長期以來管理不善，技術力量不足，致使不少水庫堤壩出現(xiàn)了許多問題，如滲漏量過大、滲透破壞嚴重等。土石壩除險加固的重點在土石壩的防滲，土石壩的工程質量問題主要是滲漏、滑坡和裂縫。土石壩的滲漏、滑坡和裂縫問題中，滑坡和裂縫的產(chǎn)生很多也與滲漏有關。所以，在除險加固過程中，防滲最為重要。而國內外普遍使用的土石壩防滲加固技術主要有回填粘土防滲斜墻、沖抓套井回填粘土防滲心墻、高壓噴射灌漿、粘土劈裂灌漿、射水造常態(tài)混凝土防滲心墻及土工膜防滲等。土石壩的防滲體形式除應滿足工程地質條件、施工條件、壩體構造要求和土料性質等條件外，還應滿足下列滲流條件：（1）滲流量不超過允許滲流量；（2）心墻下游坡的逸出坡降不超過允許坡降。因各種防滲措施的耐久性、可靠性、經(jīng)濟合理性等差異，實際中小型土壩加固施工常選用沖抓套井粘土心墻與粘土防滲斜墻進行方案比選。

因此本文主要對土壩除險加固中沖抓套井粘土心墻與粘土防滲斜墻防滲措施的滲流和穩(wěn)定計算進行研究，著重分析防滲墻位置和厚度變化對大壩滲流以及穩(wěn)定的影響規(guī)律，為工程設計提供參考依據(jù)。

1 研究目的

土石壩的壩型很多，如均質壩、薄心墻壩、薄斜墻壩、厚心墻壩、厚斜墻壩、斜心墻壩等。而壩體防滲結構形式—— 土斜墻和土心墻厚度的選擇主要由以下幾種因素確定：（1）填筑土料的安全滲透系數(shù)；（2）壩坡穩(wěn)定性要求；（3）心墻的邊坡；（4）施工要求等。目前，土石壩除險加固防滲方案的選擇一般是憑經(jīng)驗，或者只進行簡單的經(jīng)濟技術比較。不當?shù)姆桨覆粌H造成資金浪費，還挫傷了除險加固的積極性。因此有必要從理論計算方面了解防滲體形式和位置對大壩除險加固工程滲流穩(wěn)定的影響。本文擬以工程實際為背景，研究不同心墻尺寸（即厚度）、心墻位置（即垂直心墻和上游的斜墻）下的壩體滲流穩(wěn)定規(guī)律，計算不同防滲體形式下的壩體滲流量、壩坡穩(wěn)定系數(shù)、心墻下游面逸出高度、壩體下游逸出高度，以期選擇更好的加固防滲方案，發(fā)揮工程效益，節(jié)省加固投資。

2 研究方法

為了分析起見，根據(jù)工程實例選擇江西鄱陽縣地區(qū)的某一加固土石壩，擬將原均質土壩設計為最大壩高12.8 m，其中上游壩坡壩高8 m高程以上平整至1∶2.50，以下為1∶3.00；下游坡平整至1∶2.75，并增設貼坡排水的具有防滲體的非均質土壩，該大壩為4級建筑物，水庫校核洪水位為11.33 m。

2.1 計算工況、計算方法及計算參數(shù)的確定

分析中大壩的土料特性指標采用實測材料的特性指標（見表1）。穩(wěn)定滲流期下游坡穩(wěn)定計算采用有效應力法，土層參數(shù)選用c′、φ′指標。庫水位非常降落時上游坡穩(wěn)定計算采用總應力法，其中總應力法土層參數(shù)選用c、φ指標。由于篇幅有限我們僅給出最不利情況：滲流計算考慮水庫運行時上游為校核洪水位與下游相應的最低水位的水位組合情況；大壩壩坡抗滑穩(wěn)定計算考慮穩(wěn)定滲流期時上游為校核洪水位形成的上游和下游壩坡穩(wěn)定，非穩(wěn)定滲流期的最不利組合—— 庫水位下降工況和上升工況上游面壩坡穩(wěn)定性分析。

2.2 防滲方案比選

根據(jù)工程特點和我國現(xiàn)階段土石壩防滲加固處理方法以及施工工藝，本次初步設計擬采用以下方案進行比較。方案一到方案四均為沖抓套井回填粘土心墻方案。

方案一具體為：沿壩軸線處布置一排鉆孔，利用沖抓錐取土造井，再向套井內分層回填粘土（層厚25～30 cm），由鉆機的動力和卷揚設備帶動夯錘加以夯實，形成一道連續(xù)的粘土防滲墻。墻頂高程11.83 m（高于校核洪水位0.50 m），墻底部至基巖面，墻體有效厚度0.80 m，最大墻高14.20 m。

方案二是在方案一的基礎上布置成兩排鉆孔，墻體有效厚度1.576 m，其他不變。

方案三是將方案一防滲心墻沿壩軸線上游側平移3 m，墻體有效厚度仍然為 0.80 m，其他不變；方案四是將方案二防滲心墻沿壩軸線上游側平移3 m，墻體有效厚度為1.576 m，其他不變。

方案五為粘土斜墻方案：在大壩上游面清除表層雜草和護坡體，加設粘土斜墻防滲，底部清至基巖面設置壩基粘土截水槽。斜墻頂部高程11.83 m（高于校核洪水位0.50 m），頂寬3.0 m，底部厚度3.50 m（大于1/5的水頭）。

3 計算結果與分析

加固后有限元計算模型見圖1。

3.1 大壩滲流計算

對于大壩穩(wěn)定滲流（校核工況）采用了SEEP/W和理正巖土滲流軟件分別進行了計算。計算結果見表1和圖2。

綜合分析以上穩(wěn)定滲流計算結果，可以看出以下幾點。

（1）所取防滲墻越厚，大壩總滲流量越小，所取的斷面處滲流量也越小，出逸點位置水頭亦越低，防滲效果越好。（2）防滲墻越靠近上游，大壩總滲流量越小，所取斷面處滲流量也越小，出逸點位置水頭亦越低，防滲效果越好。（3）在降低總滲流量和出逸點位置中，增加防滲墻厚度所取得的效果比向上游平移防滲墻的效果要好。從總滲流量和出逸點位置的優(yōu)勢來看，5種方案優(yōu)先選用次序為：方案五、方案四、方案二、方案三、方案一。

3.2 大壩壩坡抗滑穩(wěn)定計算

壩坡抗滑穩(wěn)定計算中，為了進行上游壩坡的穩(wěn)定性分析，進行了不穩(wěn)定滲流計算。庫水位降落時考慮最不利工況，即當水庫大壩出現(xiàn)險情，溢洪道和灌溉涵管同時滿負荷泄洪，水位從校核洪水位降至水庫死水位。水庫水位上升時仍按最不利工況，即水位從死水位上升至校核洪水位。計算結果見表2。表2給出了上下游壩坡在校核洪水位形成穩(wěn)定滲流時的最小安全系數(shù)。endprint

盡管理正邊坡穩(wěn)定分析軟件給出的上游最小安全系數(shù)幾個方案之間變化不大，但對于下游最小安全系數(shù)以及SLOPE/W給出的上游最小安全系數(shù)依然明顯表現(xiàn)出防滲墻越厚、防滲墻越靠近上游壩坡越安全的規(guī)律。

圖3給出了大壩在庫水位下降和上升時各方案的上游壩坡的穩(wěn)定計算結果。

可以看出以下規(guī)律：

（1）隨著水位的下降，上游邊坡安全系數(shù)逐漸下降直至探底，然后會出現(xiàn)小幅度的上升。之所以出現(xiàn)探底主要是因為該水庫實際10 d就可以完成從校核水位（11.33 m）降至死水位（1.3 m），在這期間庫水位雖然下降但壩體內的孔隙水壓力還沒有來得及消散，自由面在初期變化時壩體內的水會向上游產(chǎn)生“倒流”現(xiàn)象，故而壩坡穩(wěn)定性下降很快。當上游水位降到某一確定的水位，壩體內的孔隙水壓力已逐漸消散時壩坡逐步變?yōu)楦善?，此時各個方案的壩坡穩(wěn)定性便很接近了。（2）上游水位上升時，上游邊坡的安全系數(shù)是逐漸上升的。這是由于水位上升時，上游面壩坡存在坡外水體壓力作用，有利安全。（3）無論水位上升還是水位下降，上游壩坡的穩(wěn)定性均表現(xiàn)出防滲墻越厚、防滲墻越靠近上游壩坡越安全的規(guī)律。

4 結論與展望

通過結合工程實際，利用有限單元法對不同位置和不同厚度防滲墻的土石壩進行滲流計算，得出采用防滲墻防滲的最佳方案。即防滲墻位置越靠近上游壩基，防滲效果越好；防滲墻設置越厚，防滲效果越好。該結論作者認為是很重要的。但對于具體的工程而言，由于工程地質條件復雜，且受施工條件的限制，再加上經(jīng)濟方面的考慮，不可能全部采用防滲墻在壩基最上游和防滲墻最厚的方案，但是可以在滿足地質、施工和經(jīng)濟的條件下，把防滲墻盡量設置在靠壩基上游的位置和盡量選取較厚的防滲墻來防滲。對于新建造設計的土壩，防滲墻的位置和厚度往往不只局限于文中給出的選擇方案，因此基于滿足壩坡的穩(wěn)定標準和滲流量的控制，就安全因數(shù)更好地均衡和最小的壩體體積而論，還可以嘗試著改變垂直心墻的坡度以及傾斜度，進一步深入研究來比選出更優(yōu)的設計方案來。

參考文獻

[1] 熊政，何蘊龍，等.ADINA軟件在土石壩滲流場計算中的應用[J].西北水力發(fā)電，2006（1）.

[2] 滕萬軍，潘多助，李麗娟，等.西泉眼水庫土壩粘土心墻防滲效果分析[J]. 水利科技與經(jīng)濟，2003（1）.

[3] 趙琳，宓永寧，馮琳，等.土石壩滲流分析與自動化觀測軟件研究[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學學報，2004（21）.endprint

盡管理正邊坡穩(wěn)定分析軟件給出的上游最小安全系數(shù)幾個方案之間變化不大，但對于下游最小安全系數(shù)以及SLOPE/W給出的上游最小安全系數(shù)依然明顯表現(xiàn)出防滲墻越厚、防滲墻越靠近上游壩坡越安全的規(guī)律。

圖3給出了大壩在庫水位下降和上升時各方案的上游壩坡的穩(wěn)定計算結果。

可以看出以下規(guī)律：

（1）隨著水位的下降，上游邊坡安全系數(shù)逐漸下降直至探底，然后會出現(xiàn)小幅度的上升。之所以出現(xiàn)探底主要是因為該水庫實際10 d就可以完成從校核水位（11.33 m）降至死水位（1.3 m），在這期間庫水位雖然下降但壩體內的孔隙水壓力還沒有來得及消散，自由面在初期變化時壩體內的水會向上游產(chǎn)生“倒流”現(xiàn)象，故而壩坡穩(wěn)定性下降很快。當上游水位降到某一確定的水位，壩體內的孔隙水壓力已逐漸消散時壩坡逐步變?yōu)楦善拢藭r各個方案的壩坡穩(wěn)定性便很接近了。（2）上游水位上升時，上游邊坡的安全系數(shù)是逐漸上升的。這是由于水位上升時，上游面壩坡存在坡外水體壓力作用，有利安全。（3）無論水位上升還是水位下降，上游壩坡的穩(wěn)定性均表現(xiàn)出防滲墻越厚、防滲墻越靠近上游壩坡越安全的規(guī)律。

4 結論與展望

通過結合工程實際，利用有限單元法對不同位置和不同厚度防滲墻的土石壩進行滲流計算，得出采用防滲墻防滲的最佳方案。即防滲墻位置越靠近上游壩基，防滲效果越好；防滲墻設置越厚，防滲效果越好。該結論作者認為是很重要的。但對于具體的工程而言，由于工程地質條件復雜，且受施工條件的限制，再加上經(jīng)濟方面的考慮，不可能全部采用防滲墻在壩基最上游和防滲墻最厚的方案，但是可以在滿足地質、施工和經(jīng)濟的條件下，把防滲墻盡量設置在靠壩基上游的位置和盡量選取較厚的防滲墻來防滲。對于新建造設計的土壩，防滲墻的位置和厚度往往不只局限于文中給出的選擇方案，因此基于滿足壩坡的穩(wěn)定標準和滲流量的控制，就安全因數(shù)更好地均衡和最小的壩體體積而論，還可以嘗試著改變垂直心墻的坡度以及傾斜度，進一步深入研究來比選出更優(yōu)的設計方案來。

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盡管理正邊坡穩(wěn)定分析軟件給出的上游最小安全系數(shù)幾個方案之間變化不大，但對于下游最小安全系數(shù)以及SLOPE/W給出的上游最小安全系數(shù)依然明顯表現(xiàn)出防滲墻越厚、防滲墻越靠近上游壩坡越安全的規(guī)律。

圖3給出了大壩在庫水位下降和上升時各方案的上游壩坡的穩(wěn)定計算結果。

可以看出以下規(guī)律：

（1）隨著水位的下降，上游邊坡安全系數(shù)逐漸下降直至探底，然后會出現(xiàn)小幅度的上升。之所以出現(xiàn)探底主要是因為該水庫實際10 d就可以完成從校核水位（11.33 m）降至死水位（1.3 m），在這期間庫水位雖然下降但壩體內的孔隙水壓力還沒有來得及消散，自由面在初期變化時壩體內的水會向上游產(chǎn)生“倒流”現(xiàn)象，故而壩坡穩(wěn)定性下降很快。當上游水位降到某一確定的水位，壩體內的孔隙水壓力已逐漸消散時壩坡逐步變?yōu)楦善拢藭r各個方案的壩坡穩(wěn)定性便很接近了。（2）上游水位上升時，上游邊坡的安全系數(shù)是逐漸上升的。這是由于水位上升時，上游面壩坡存在坡外水體壓力作用，有利安全。（3）無論水位上升還是水位下降，上游壩坡的穩(wěn)定性均表現(xiàn)出防滲墻越厚、防滲墻越靠近上游壩坡越安全的規(guī)律。

4 結論與展望

通過結合工程實際，利用有限單元法對不同位置和不同厚度防滲墻的土石壩進行滲流計算，得出采用防滲墻防滲的最佳方案。即防滲墻位置越靠近上游壩基，防滲效果越好；防滲墻設置越厚，防滲效果越好。該結論作者認為是很重要的。但對于具體的工程而言，由于工程地質條件復雜，且受施工條件的限制，再加上經(jīng)濟方面的考慮，不可能全部采用防滲墻在壩基最上游和防滲墻最厚的方案，但是可以在滿足地質、施工和經(jīng)濟的條件下，把防滲墻盡量設置在靠壩基上游的位置和盡量選取較厚的防滲墻來防滲。對于新建造設計的土壩，防滲墻的位置和厚度往往不只局限于文中給出的選擇方案，因此基于滿足壩坡的穩(wěn)定標準和滲流量的控制，就安全因數(shù)更好地均衡和最小的壩體體積而論，還可以嘗試著改變垂直心墻的坡度以及傾斜度，進一步深入研究來比選出更優(yōu)的設計方案來。

參考文獻

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