水庫(kù)土壩滲流穩(wěn)定分析及除險(xiǎn)策略

郭華健

（興義市頂效圍山湖自來(lái)水公司）

水庫(kù)土壩滲流穩(wěn)定分析及除險(xiǎn)策略

郭華健

（興義市頂效圍山湖自來(lái)水公司）

作為我國(guó)水利工程中的各壩型應(yīng)用最為廣泛的一種，水庫(kù)的土壩壩基、滲流的穩(wěn)定性及其計(jì)算分析是一個(gè)非常重要的課題。根據(jù)相關(guān)資料的顯示，水庫(kù)土壩滲流問(wèn)題引起了許多問(wèn)題，我國(guó)存在的大量的病險(xiǎn)水庫(kù)，對(duì)人民的生活生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的威脅。水庫(kù)土壩滲流穩(wěn)定分析是作為確定水庫(kù)大壩剖面的設(shè)計(jì)以及壩體安全評(píng)判的重要依據(jù)。只有對(duì)土壩滲流的穩(wěn)定性做出正確的分析計(jì)算，提出合理可靠的除險(xiǎn)策略才能發(fā)揮其效益，造福于社會(huì)。

水庫(kù)；土壩；滲流；穩(wěn)定；除險(xiǎn)

前言

近些年來(lái)，我國(guó)每年都對(duì)現(xiàn)有的水庫(kù)土壩進(jìn)行了安全鑒定，并且對(duì)病險(xiǎn)水庫(kù)進(jìn)行了除險(xiǎn)加固。然而，在對(duì)病險(xiǎn)水庫(kù)的進(jìn)行加固工作的同時(shí)，也需要對(duì)水庫(kù)土壩的滲流穩(wěn)定性進(jìn)行分析與總結(jié)，從而更好地為今后土壩的安全鑒定、除險(xiǎn)加固及其設(shè)計(jì)、施工和管理等方面提供完善的資料。本文介紹了水庫(kù)土壩的滲流問(wèn)題可能對(duì)土壩造成的危害，并且針對(duì)土壩存在的問(wèn)題，提出了合理可靠的除險(xiǎn)加固措施。

1 土壩的滲流的概念

水庫(kù)土壩滲流通常指的是水體向圍護(hù)區(qū)之外的地方滲流，從而出現(xiàn)的水量流失的現(xiàn)象。如果土壩的滲漏量過(guò)大，將會(huì)使得水庫(kù)的效益顯著的降低。而由于滲流所在的滲流場(chǎng)的不同，又可以把滲流分成兩種：飽和滲流以及非飽和滲流。同時(shí)根據(jù)滲流的水頭、速度以及水利梯度，滲流可以被分為穩(wěn)定性滲流和非穩(wěn)定性滲流。而從滲流發(fā)生的機(jī)理角度來(lái)看，滲流可以分為流土、管涌、接觸沖刷以及接觸流土這四種類型。

2 土壩滲流的原因

水庫(kù)土壩滲流的原因主要是兩方面的：自然原因和人為原因。自然降水、地表水位的變化會(huì)對(duì)地下水的徑流、排泄條件及其補(bǔ)給產(chǎn)生不利的影響。隨著地表水的入滲，水庫(kù)土壩遭到滲浸，水庫(kù)土體的抗剪強(qiáng)度由此也降低了，壩體內(nèi)將會(huì)發(fā)生滲流現(xiàn)象。同時(shí)，滲漏、超壓、滑動(dòng)、不均勻沉陷等各方面的原因都會(huì)對(duì)水庫(kù)土壩正常運(yùn)作造成大大小小的影響。水庫(kù)土壩的土基、地基以及巖基建造的質(zhì)量也對(duì)壩基滲流的破壞程度的高低有著直接的影響。不夠完善的土壩防滲措施，不僅會(huì)影響水庫(kù)的蓄水能力，而且還會(huì)威脅水庫(kù)的安全。

3 土壩滲流的影響

水庫(kù)土壩的滲流對(duì)土顆粒接觸面造成了壓力和浮力，并且滲透水流的浮力及其拖拽作用也對(duì)土顆粒的骨架本身有影響。這些因素都會(huì)直接影響到土壩的穩(wěn)定性，更有甚者，本來(lái)安全的土壩也會(huì)在滲流的作用下而失去穩(wěn)定，從而發(fā)生邊坡表面垮塌等現(xiàn)象。當(dāng)土壩內(nèi)發(fā)生了滲流以后，可以發(fā)現(xiàn)最大塑性的應(yīng)變區(qū)域顯著地向大壩外側(cè)的坡腳處（即滲流的出口處）接近，而且和沒(méi)有滲流時(shí)相比，其塑性應(yīng)變區(qū)域明顯增大了，這表明土壩容易在滲流的作用下被破壞。由于沿浸潤(rùn)面切線的方向作用的滲透力，土壩邊坡向外向下的滑動(dòng)力被加大了，導(dǎo)致滲流的出現(xiàn)降低了土壩的穩(wěn)定系數(shù)。有相關(guān)資料顯示，在被破壞的土壩中，其中40%是因?yàn)閴位蛪误w土的滲流造成的。同時(shí)，我國(guó)調(diào)查有問(wèn)題的土壩，發(fā)現(xiàn)由于滲流引起的竟然高達(dá)60%。此外滲流還造成了水庫(kù)的防洪堤及其邊坡的坍塌，供水井、減壓井和壩基的排水孔的淤塞，基坑開(kāi)挖和地下工程施工中遇到流砂，斷層破碎帶、裂縫和軟弱夾層中的松散物質(zhì)帶出等問(wèn)題。

4 土壩穩(wěn)定性的分析方法

通過(guò)使用有限元迭代對(duì)滲流場(chǎng)進(jìn)行分析，可以求出浸水后的土壩的各單元的滲透力。采用有限元法對(duì)水庫(kù)土壩的穩(wěn)定性進(jìn)行分析時(shí)，采用理想彈塑性模型作為土體模型，使用服從Drucker-Prager準(zhǔn)則的本構(gòu)關(guān)系。當(dāng)使用有限單元法分析對(duì)土壩進(jìn)行分析時(shí)，不僅滿足了力的平衡條件，還考慮到了材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，從而能得到更精準(zhǔn)合理的計(jì)算結(jié)果。采用強(qiáng)度折減法來(lái)計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)，它的基本原理就是將土壩的土體的強(qiáng)度參數(shù)c、準(zhǔn)同時(shí)按照式（1）和式（2）進(jìn)行折減：

在一組新的強(qiáng)度參數(shù)c′，準(zhǔn)′得到后，把有限元程序代入后進(jìn)行計(jì)算，如果計(jì)算結(jié)果是收斂的，就增大K的值，再把其代入計(jì)進(jìn)行算，直到計(jì)算結(jié)果剛好不收斂了，那么此時(shí)所得到的K值就是邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)Ks。

5 水庫(kù)土壩的除險(xiǎn)策略

5.1采用背水側(cè)壓滲蓋重，盡量避免管涌

在背水側(cè)地型條件的允許下，并且使用封閉式的垂直防滲幕墻的造價(jià)又太高的時(shí)候，通過(guò)背水側(cè)壓滲蓋重的使用，能夠有效避免壓蓋范圍以內(nèi)出現(xiàn)管涌現(xiàn)象。當(dāng)被計(jì)算出的后蓋寬度很長(zhǎng)的時(shí)候，可以通過(guò)在其后蓋末端設(shè)置減壓井來(lái)縮短后蓋的寬度。而且壓蓋在實(shí)際的應(yīng)用范圍比較廣，施工起來(lái)比較簡(jiǎn)單，堤防的穩(wěn)固性也相對(duì)比較好，工程投資相對(duì)較少。再加上壓滲蓋重的形式多樣，能夠從不透水的換成到可以完全自由排水的，實(shí)踐中可以按照各自的實(shí)際情況，通過(guò)不同形式的采取，來(lái)實(shí)現(xiàn)滲水但是不滲土的目的。

5.2 采用滲透破壞加固方法

滲透破壞加固方法通常是使用在水庫(kù)土壩的壩基和壩體的遇到滲流問(wèn)題的時(shí)候，以防止水庫(kù)上下游發(fā)生滲流的現(xiàn)象，從而提高水庫(kù)土壩的抗?jié)B透能力。運(yùn)用了防滲加固的方法以后，同時(shí)還需要利用一些其他的防水措施，例如褥墊排水和棱體排水的措施，土壩的壩體內(nèi)使用豎向和水平的排水層、排水溝、減壓井等排水的設(shè)備，可以有效地消除水庫(kù)上游的漏水現(xiàn)象，從而降低下游壩基的水頭及其浸潤(rùn)線。而只從滲流計(jì)算的結(jié)果來(lái)看，減壓井的效果十分顯著，能夠有效防止管涌起到除險(xiǎn)的作用，它幾乎能適用所有的管涌堤基相關(guān)的除險(xiǎn)。

5.3 采用垂直防滲處理地基的方法

在地基透水層比較薄、隔水層比較淺的情況下，適合采用垂直防滲處理地基的方法，它可以通過(guò)封閉式的防滲幕墻的作用，來(lái)有效地控制堤基的滲流量，由此達(dá)到從根本治理堤基滲透破壞的效果。對(duì)于透水層比較厚，隔水層比較深的雙層堤基，由于在采用封閉式垂直防滲墻的施工難度過(guò)大而且造價(jià)過(guò)高，要在具備充分的勘察資料而且充分論證了經(jīng)滲流計(jì)算后才可以使用。垂直防滲墻應(yīng)該安置在臨水堤腳下或者堤頂靠臨水的一方?？梢圆捎蒙渌?、鋸槽法、輪銑法、高噴灌漿等方法對(duì)垂直防滲幕墻進(jìn)行施工。

5.4 采用裂縫加固的方法

在水庫(kù)土壩的各種災(zāi)害中，最為廣泛的一種災(zāi)害就是產(chǎn)生裂縫，一般情況下，裂縫多發(fā)于水庫(kù)蓄水運(yùn)作的階段，甚至有些裂縫產(chǎn)生在土壩壩體的表面，部分裂縫隱藏于土壩的壩體內(nèi)，只有開(kāi)挖了土壩，才能發(fā)現(xiàn)隱藏于內(nèi)的裂縫。治理土壩裂縫應(yīng)該按照觀察的情況和相關(guān)資料，對(duì)裂縫產(chǎn)生的部位以及規(guī)模進(jìn)行判斷，對(duì)裂縫產(chǎn)生的原因進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，有針對(duì)性實(shí)施措施，及時(shí)處理好問(wèn)題。裂縫加固的方法通常有開(kāi)挖回填和裂縫灌漿兩種。

5.5 使用滑坡加固的方法

如果滑坡問(wèn)題出現(xiàn)在水庫(kù)土壩中，就需要對(duì)它進(jìn)行地質(zhì)勘查，并且做好相關(guān)的試驗(yàn)工作，正確分析滑坡產(chǎn)生的原因，并根據(jù)“削坡減載，固腳壓重”的滑坡清除原則，盡量減少土壩的滑動(dòng)力同時(shí)增加其阻力，依此對(duì)水庫(kù)土壩實(shí)施加固設(shè)計(jì)。水庫(kù)土壩的滑坡通常是由水流沖刷、土壩內(nèi)部的滲水作用或者是上部壓載過(guò)重等原因造成的。在這種情況下，通常是采用土壩中的主動(dòng)滑動(dòng)段來(lái)減重和采用在滑坡體前緣拋石來(lái)固腳的方法。而對(duì)于由滲透作用造成的滑坡，必須要采取“前截后導(dǎo)”的措施，把防滲和排水的作用加強(qiáng)。對(duì)于淺層的滑坡一般可以挖出滑動(dòng)體中的主滑體，并進(jìn)行重新回填。

6 結(jié)論

本文通過(guò)分析表明：當(dāng)水庫(kù)土壩出現(xiàn)滲流的時(shí)候，會(huì)降低土壩的穩(wěn)定性。因此，在實(shí)際施工中我們應(yīng)該充分考慮滲流會(huì)對(duì)水庫(kù)土壩的穩(wěn)定性可能造成的影響，同時(shí)要做好防滲措施，及時(shí)了解水庫(kù)土壩的狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并且處理問(wèn)題，消除安全隱患?？傊?，要切實(shí)做好管理工作，最大限度的避免事故發(fā)生，充分發(fā)揮水庫(kù)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，保護(hù)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

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1004-7344（2016）15-0123-02

2016-5-12

郭華?。?984-），男，助理工程師，大專，主要從事水庫(kù)管理工作。