土石壩加高加固防滲措施及邊坡穩(wěn)定的分析研究

土石壩加高加固防滲措施及邊坡穩(wěn)定的分析研究

翁湛

(浙江省水利河口研究院，浙江 杭州310020)

摘要：在土石壩加高加固過(guò)程中，必須對(duì)壩體滲流和滲流作用下邊坡穩(wěn)定進(jìn)行分析，確保加高加固階段和蓄水運(yùn)行過(guò)程中的壩體安全.根據(jù)有限單元法基本原理和滲流基本理論，對(duì)土石壩加高加固穩(wěn)定和非穩(wěn)定滲流問(wèn)題的利用有限單元法程序進(jìn)行了實(shí)例分析.

關(guān)鍵詞：土石壩；加高加固；滲流；防滲措施；邊坡穩(wěn)定

中圖分類(lèi)號(hào)：TV697.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2015-03-16

作者簡(jiǎn)介：翁湛(1982-)，男，浙江衢州人，工程師，工程碩士，從事水利設(shè)計(jì)工作.

Study on the Anti-seepagemeasures and Slope Stability During the

Heightening and Strengthening of Earth-fock Fill Dams

WENG Zhan

(Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary,Hangzhou 310020 China)

Abstract:Therefore, during the heightening and reinforcement of earth-rock fill dams, the seepage and slope stability under seepage must be studied to ensure the safety of the dams in the process of construction and water impoundment. In this paper, the finite element method program for steady and unsteady flow problem was studied, based on the finite element method and the seepage theory.

Key words:earth-rock fill dam; heightening and consolidation; seepage; anti-seepage measures; slope stability

0引言

土石壩是利用壩址附近的土石料填筑(碾壓或夯實(shí))而成的擋水建筑物.土石壩以其經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)各種地形地質(zhì)條件的優(yōu)勢(shì)，居于各類(lèi)壩型的首位.

由于土石壩壩頂不允許過(guò)流，因此土石壩的應(yīng)用也有一定的局限性，必須修建溢洪道來(lái)泄流.此外，由于土石料具有滲透性，所以滲流問(wèn)題是土石壩安全的關(guān)鍵.土石壩滲流一方面造成水量損失，另一方面產(chǎn)生滲透作用力及引起土體材料強(qiáng)度降低，進(jìn)而導(dǎo)致滑坡，使大壩喪失穩(wěn)定.在我國(guó)，已建成的八萬(wàn)多座大壩中，土石壩占據(jù)很大的比例，因此，土石壩滲流研究在我國(guó)還有很大發(fā)展空間.

滲流分析方法很多，歸納起來(lái)可分為三大類(lèi)：理論分析方法、圖解法和試驗(yàn)分析方法.理論分析方法又可分為解析法和數(shù)值法.其中數(shù)值解法主要包括有限單元法(FEM)、有限差分法(FDM)、邊界元法(BEM)、離散元(DEM)等等.在滲流場(chǎng)求解的數(shù)值方法中，有限單元法和有限差分法最為普及.

本文根據(jù)有限單元法基本原理和滲流基本理論，對(duì)土石壩加高加固穩(wěn)定和非穩(wěn)定滲流問(wèn)題的利用有限單元法程序進(jìn)行了實(shí)例分析.

1有限單元法基本理論

有限單元法區(qū)別于傳統(tǒng)的加權(quán)余量法和求解泛函的駐值問(wèn)題的變分法，該法不是在整個(gè)求解域上假設(shè)近似函數(shù)，而是在各個(gè)單元上分片假設(shè)近似函數(shù).這樣就克服了在全域上假設(shè)近似函數(shù)所遇到的困難.

對(duì)于滲流問(wèn)題，有限單元法最終將微分方程轉(zhuǎn)化為求解滲流場(chǎng)中水頭函數(shù)h的方程組，其形式一般為[K]{h}={f}，式中[K]為滲透矩陣；{h}為未知水頭列向量；{f}為已知水頭結(jié)點(diǎn)貢獻(xiàn)列向量.滲流有限單元方法的實(shí)施步驟(見(jiàn)圖1).

圖1　滲流有限單元方法實(shí)施步驟

2土石壩加高加固實(shí)例分析

本次分析不考慮繞滲和沿壩軸線(xiàn)方向滲流，則三維滲流場(chǎng)可簡(jiǎn)化為二維滲流場(chǎng)進(jìn)行分析.基于Geo-studio SEEP和SLOPE/W模塊對(duì)某水庫(kù)大壩加高加固后壩體進(jìn)行滲流和邊坡穩(wěn)定分析，計(jì)算時(shí)分別對(duì)正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位和校核洪水位驟降等工況進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析，以獲得加高加固后壩體滲流特性，包括整體滲流場(chǎng)的狀態(tài)、水頭、滲透梯度等值線(xiàn)分布以及滲漏量，在上述滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)大壩上下游坡進(jìn)行穩(wěn)定分析，評(píng)價(jià)加高后水庫(kù)大壩防滲效果進(jìn)行優(yōu)化建議.

2.1工程概況

某均質(zhì)土壩壩頂高程83.9 m，最大壩高23.3 m，壩頂寬度4.0～5.0 m.上游壩坡自上而下坡比分別為1∶2.0、1∶3.5，下游壩坡自上而下坡比分別為1∶1.5、1∶2.0.下游坡為草皮護(hù)坡，壩腳設(shè)有褥墊式排水.除險(xiǎn)加固前水庫(kù)存在的主要問(wèn)題有：土壩現(xiàn)狀壩頂高程不滿(mǎn)足防洪要求，土壩壩體及壩基滲透系數(shù)偏大；壩體外約5.0 m處沿壩腳滲漏，滲流量與庫(kù)水位相關(guān)，壩基與壩體接觸帶存在滲流隱患；溢流壩壩體滲漏量大.

除險(xiǎn)加固措施主要包括：(1)壩頂在上游面加高培厚，上游側(cè)采用土工膜上壓混凝土預(yù)制塊護(hù)坡作為壩體防滲設(shè)施，下游側(cè)修整壩坡重植草皮護(hù)坡，并設(shè)干砌塊石貼破排水.(2)考慮到壩基覆蓋層滲流量較大，在壩踵進(jìn)行帷幕灌漿.(3)對(duì)溢流壩壩體進(jìn)行帷幕灌漿處理.

2.2滲流穩(wěn)定分析

2.2.1計(jì)算工況和材料參數(shù)

大壩加高后滲流場(chǎng)計(jì)算所采取的各種材料的滲透系數(shù)參照地質(zhì)勘探資料(見(jiàn)表1).

表1　大壩加高加固材料滲透系數(shù)

滲流分析主要是對(duì)不同加固情況下壩體正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位和校核洪水位驟降等工況進(jìn)行對(duì)比分析，選取最優(yōu)工況，具體計(jì)算工況(見(jiàn)表2).

表2　滲流計(jì)算工況

上游水位取為加高后的正常蓄水位80.12 m、設(shè)計(jì)洪水位82.05 m或校核洪水位84.36 m，高于河或庫(kù)水位的地方為滲流可能逸出面；在壩軸線(xiàn)下游側(cè)，同樣低于下游水位的地方為已知水頭邊界條件，下游水位取為加高后的下游水位54.01 m、下游設(shè)計(jì)洪水位54.88 m或校核洪水位57.72 mm，高于下游水位的地方均為可能滲流逸出面.

2.2.2滲流穩(wěn)定分析

滲控設(shè)計(jì)的主要目的：一是控制防滲措施下游的剩余水頭，降低下游壩體及兩岸坡上的滲流逸出線(xiàn)高度，增強(qiáng)下游壩坡或岸坡的穩(wěn)定性；二是控制滲流梯度，避免滲透變形破壞，確保壩體、壩基和壩肩等滲流穩(wěn)定性；三是控制流量，使流量損失最小或在允許范圍內(nèi)；四是控制壩體和壩基各種滲流力，改善壩體和壩基的變形和應(yīng)力條件.

基于Geo-studio SEEP模塊，對(duì)土壩進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析，各工況下壩體內(nèi)部等勢(shì)線(xiàn)(見(jiàn)圖1～圖4).從下面各表、圖中可以看出加高加固后后壩體滲流場(chǎng)水頭分布規(guī)律合理，水頭等值線(xiàn)形態(tài)、走向和密集程度都較準(zhǔn)確地反映了相應(yīng)區(qū)域防滲或排水滲控措施的特點(diǎn)、滲流特性和邊界條件，計(jì)算域內(nèi)的主要防滲和排水措施同樣得到了細(xì)致的模擬，滲控效果也及時(shí)得到了正確反映.

圖1　正常蓄水位壩體水頭等勢(shì)線(xiàn)圖

圖2　設(shè)計(jì)洪水位壩體水頭等勢(shì)線(xiàn)圖

圖3　正常蓄水位壩體水頭等勢(shì)線(xiàn)圖

圖4　設(shè)計(jì)洪水位壩體水頭等勢(shì)線(xiàn)圖

(1)加高加固后，壩體和壩基滲流在現(xiàn)行防滲設(shè)計(jì)條件下基本得到控制.

(2)在上游面設(shè)置復(fù)合土工膜防滲面板并在壩踵部位進(jìn)行帷幕灌漿后，防滲面板與壩踵帷幕形成一個(gè)復(fù)合防滲體，有效截?cái)嗔藟误w和壩基滲流.滲透坡降隨著消減水頭雖然增大，但由于上游面加厚，壩體滲徑增大，因此土壩中的滲透坡降增大幅度較小.壩體下游壩面附近，出逸點(diǎn)部位坡降增大，考慮到下游貼坡排水體設(shè)置有反濾層，出逸點(diǎn)部位滲流穩(wěn)定.

表3　壩區(qū)不同部位的最大滲透坡降

(3)非穩(wěn)定滲流分析主要對(duì)庫(kù)水位驟降情況進(jìn)行計(jì)算，由于上游壩面有防滲面板作用，壩體水頭較庫(kù)水位有明顯削減，遭遇庫(kù)水位驟降時(shí)，未出現(xiàn)高于浸潤(rùn)線(xiàn)高于庫(kù)水位的情況.由于原壩體土滲透系數(shù)較大，壩踵未布置防滲帷幕時(shí)，壩體上游水頭與庫(kù)水位基本一致；在壩踵布置防滲帷幕后，上游壩體水頭較庫(kù)水位有所削減，值較水位驟降前有所減小.

(4)對(duì)壩體進(jìn)行加高加固后，壩體和壩基滲流量得到有效控制.不同防滲加固情況下，壩體和壩基滲流量(見(jiàn)表4).

表4　壩體和壩基單寬滲流量

2.2.3結(jié)論

在上游面設(shè)置復(fù)合土工膜等防滲面板后，結(jié)合壩踵部位防滲帷幕，壩體防滲效果明顯增強(qiáng)，同時(shí)通過(guò)在出逸點(diǎn)處設(shè)置了貼坡排水以及土工膜，可緩解出逸點(diǎn)部位的沖刷.

2.3邊坡穩(wěn)定分析

工程等別為Ⅲ等，永久性水工建筑物級(jí)別為3級(jí).壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用簡(jiǎn)化畢肖普法.根據(jù)規(guī)范要求，壩坡抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)在正常運(yùn)用條件下應(yīng)不小于1.30，非常運(yùn)用條件下應(yīng)不小于1.20.

2.3.1計(jì)算工況和材料參數(shù)

主要土層物理力學(xué)性指標(biāo)依據(jù)本次地質(zhì)報(bào)告中建議數(shù)據(jù)進(jìn)行選取(見(jiàn)表5).

表5　抗滑穩(wěn)定計(jì)算各土層選用計(jì)算參數(shù)表

2.3.2邊坡穩(wěn)定分析

根據(jù)規(guī)范，基于SLOPE/W模塊采用計(jì)及條塊間作用力的簡(jiǎn)化畢肖普法對(duì)穩(wěn)定和非穩(wěn)定滲流狀況下壩體上下游壩坡進(jìn)行穩(wěn)定分析.上游防滲面板結(jié)合壩踵帷幕時(shí)，壩體上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)表6)和(見(jiàn)圖5～圖8).

表6　大壩上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

圖5　正常蓄水位下游壩坡滑動(dòng)面

圖6　設(shè)計(jì)洪水位下游壩坡滑動(dòng)面

圖7　校核洪水位下游壩坡滑動(dòng)面

圖8　校核洪水位驟降上游壩坡滑動(dòng)面

2.3.3結(jié)論和建議

(1)加固加高后，在壩體上游防滲面板結(jié)合壩踵帷幕時(shí)，各工況壩體上游壩坡、下游壩坡抗滑穩(wěn)定滿(mǎn)足要求.

(2)在壩踵處進(jìn)行防滲帷幕灌漿，在防滲面板和壩踵帷幕體共同作用下，壩體上游削減水頭效果明顯，校核洪水位驟降對(duì)壩體浸潤(rùn)線(xiàn)影響較小，驟降后期上游壩坡最小抗滑穩(wěn)定系數(shù)相對(duì)較大.

3結(jié)語(yǔ)

本文在對(duì)滲流作用下壩體邊坡穩(wěn)定分析方法進(jìn)行闡述.基于Geo-studio SEEP模塊對(duì)土石壩穩(wěn)定滲流情況進(jìn)行分析，然后在滲流計(jì)算成果基礎(chǔ)上用SLOPE/W模塊進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析.通過(guò)理論研究和工程實(shí)例分析：對(duì)不同防滲布置方案下壩體內(nèi)部水頭等值線(xiàn)分布、水力坡降和滲流量進(jìn)行對(duì)比分析，論述方案的可行性；基于滲流分析結(jié)果，對(duì)穩(wěn)定和非穩(wěn)定滲流作用下，壩體上游和下游壩坡進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析.

由于土石壩滲流和穩(wěn)定課題的復(fù)雜性，本文僅對(duì)土石壩二維穩(wěn)定和非穩(wěn)定滲流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，對(duì)于三維滲流未進(jìn)行深入研究.

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