貼坡排水加高對(duì)水庫(kù)壩體滲流與穩(wěn)定的影響研究

徐繼紅

(新疆塔里木河流域希尼爾水庫(kù)管理局，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

貼坡排水加高對(duì)水庫(kù)壩體滲流與穩(wěn)定的影響研究

徐繼紅

(新疆塔里木河流域希尼爾水庫(kù)管理局，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

對(duì)土壩下游貼坡式加高過(guò)程中面臨的滲流、穩(wěn)定等問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算研究,利用有限元法計(jì)算滲流場(chǎng),比對(duì)計(jì)算各種情況下的穩(wěn)定滲流情況,采用簡(jiǎn)化的B i s ho p法,考慮孔隙水壓力計(jì)算壩坡穩(wěn)定安全系數(shù),對(duì)比增加防滲排水設(shè)施前后壩體穩(wěn)定情況。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn),下游貼坡加高會(huì)違反防滲原則,導(dǎo)致壩體滲流穩(wěn)定出現(xiàn)問(wèn)題。針對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題提出了解決方法,最后得出增加水平排水的方案對(duì)于降低浸潤(rùn)線(xiàn)最為有效。

土壩;滲流穩(wěn)定;有限元;B i s ho p法

土石壩在我國(guó)壩工建設(shè)中占有舉足輕重的位置，其數(shù)量占大壩總數(shù)的80%以上［1］，但目前我國(guó)已建成的1/4大、中型和2/5的小型水庫(kù)屬于病險(xiǎn)水庫(kù)［2］，而對(duì)大壩采取加高方式來(lái)滿(mǎn)足防洪要求是最為常見(jiàn)的除險(xiǎn)加固處理方案，因此探討土壩加高中存在的問(wèn)題及研究解決具有重要意義。

目前土壩加高方式主要有上游貼坡式加高、下游貼坡式加高和騎馬式加高三種［3-5］。上游貼坡式加高受上游淤積影響和水庫(kù)排空問(wèn)題限制，騎馬式加高往往難以滿(mǎn)足壩坡穩(wěn)定的要求，因此這兩種方式應(yīng)用均較少，下游貼坡式加高是應(yīng)用最為廣泛的土壩加高方式。由于土壩大多就地取材，選料會(huì)受到當(dāng)?shù)赝亮系南拗?，新加壩體的密實(shí)度要達(dá)到規(guī)范要求，其滲透系數(shù)會(huì)比原有上游壩體小，這不符合土壩的防滲原則(上防下排)，必然造成壩體浸潤(rùn)線(xiàn)抬高，使得滲流出逸點(diǎn)很高，并對(duì)下游壩坡穩(wěn)定不利。對(duì)該問(wèn)題本文將探討不同處理方案的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 問(wèn)題分析及計(jì)算原理

壩體加高后，內(nèi)部浸潤(rùn)線(xiàn)很高，原因是土料的布置違反了土壩“上防下排”的反濾布置原則，下游加高壩體滲透系數(shù)較大，壩內(nèi)水無(wú)法順利排出，將滲流區(qū)域行單元?jiǎng)澐趾?，以?jié)點(diǎn)水頭H作為待求值，可以得到以下公式:

式中:K為單元滲透系數(shù)矩陣。

分析新老壩體結(jié)合處的節(jié)點(diǎn)水頭可知，新壩體的滲透系數(shù)較小，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)水頭較大，這是下游貼坡式加高壩體浸潤(rùn)線(xiàn)較高的原因。同時(shí)，壩內(nèi)的浸潤(rùn)線(xiàn)較高，若不采取任何措施，溢出點(diǎn)會(huì)很高，壩后貼坡排水高程勢(shì)必要增加，這在工程實(shí)際中是不現(xiàn)實(shí)的，因此必須采取措施降低浸潤(rùn)線(xiàn)。

壩內(nèi)大量土體含水量較高導(dǎo)致了壩體土料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)降低，在壩內(nèi)孔隙水壓力的作用下，土體穩(wěn)定安全系數(shù)降低，使得土壩存在安全隱患。為解決這個(gè)問(wèn)題，在土壩上游及淤泥體表面增設(shè)防滲體，以求減少滲流量，達(dá)到“上防”的目的;或者在下游加高壩體與原壩體之間增設(shè)排水設(shè)施，使壩體內(nèi)部水得以排出，達(dá)到“下排”的效果。

利用二維滲流有限元分析基本方程迭代計(jì)算每種方案各工況下的浸潤(rùn)線(xiàn)及滲流量，利用滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，在考慮孔隙水壓力的情況下反復(fù)試算找出壩坡最危險(xiǎn)滑裂面，最后利用B i s ho p法試算得出壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)。

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程概況

某水庫(kù)大壩為碾壓式黃土均質(zhì)壩，壩底高程為1705m，壩頂高程為1730m，原壩高25m，壩頂寬為6m，上游坡比為1∶2.5，下游坡比為1∶2.25，壩體加高后下游坡比為1∶3，下游無(wú)水。庫(kù)內(nèi)淤積十分嚴(yán)重，總庫(kù)容為884萬(wàn)m3，水庫(kù)淤積量達(dá)422.6萬(wàn)m3，水庫(kù)調(diào)洪能力減小，不能正常發(fā)揮作用，采用下游貼坡加高進(jìn)行除險(xiǎn)加固，經(jīng)計(jì)算確定下游貼坡加高7m，土料計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 壩體填土物理力學(xué)指標(biāo)

2.2 解決方案探討

為達(dá)到降低浸潤(rùn)線(xiàn)、提高穩(wěn)定安全系數(shù)的目的，擬采用以下三種方案。

方案一:在新加高壩體底部布設(shè)透水性較強(qiáng)的砂石料(類(lèi)似褥墊排水)，以降低壩體浸潤(rùn)線(xiàn)。

方案二:在筑壩當(dāng)?shù)貨](méi)有適宜做排水體的材料時(shí)，通過(guò)在上游壩坡面新增防滲體解決浸潤(rùn)線(xiàn)過(guò)高的問(wèn)題，可采用在上游壩面鋪設(shè)土工膜方式防滲。

方案三:若土壩級(jí)別不高，則可降低新加高壩體密實(shí)度，使得新加壩體滲透系數(shù)等于原壩體滲透系數(shù)，解決土料配置違反防滲布置原則的問(wèn)題。

這三種方案主要影響浸潤(rùn)線(xiàn)和滲漏量的大小，因此三種方案對(duì)下游壩坡影響較大而對(duì)上游壩坡的影響并不顯著。

2.3 三種方案對(duì)比計(jì)算分析

(1)各方案浸潤(rùn)線(xiàn)對(duì)比。分別計(jì)算三種方案不同工況下壩體內(nèi)部浸潤(rùn)線(xiàn)，其中排水體厚度為3.5m，土工膜防滲體的滲透系數(shù)取10-11c m/s。

通過(guò)浸潤(rùn)線(xiàn)計(jì)算可知，采取壩后水平排水措施對(duì)降低浸潤(rùn)線(xiàn)更有效，在壩體上游增設(shè)土工膜防滲體的措施次之，而減小土壩密實(shí)度的方案對(duì)于降低壩體內(nèi)部浸潤(rùn)線(xiàn)效果并不理想。原因是土工膜覆蓋范圍有限，如此例中，土工膜只能覆蓋在上游壩坡及淤泥體的水平面上，在淤泥體的豎直面上無(wú)法鋪設(shè)土工膜，而且土工膜在實(shí)際使用中也有頂破失效的風(fēng)險(xiǎn)。至于方案三中減小下游加高壩體密實(shí)度的做法，在水位較低時(shí)，對(duì)降低浸潤(rùn)線(xiàn)尚可起到一定作用，但是當(dāng)壩前水位達(dá)到校核洪水位時(shí)，浸潤(rùn)線(xiàn)依舊較高，壩體仍然存在滲透破壞的風(fēng)險(xiǎn)。鑒于此，對(duì)于等級(jí)較高的土壩不建議采用此方案。在下游增加水平排水可以使排水體透水系數(shù)增大，滿(mǎn)足透水需要，使得壩內(nèi)水可以順利排出壩體，因此這個(gè)方案可以收到較好的效果。但是，從經(jīng)濟(jì)上來(lái)講，設(shè)置人工排水也會(huì)加大施工難度，增加投資。

(2)各方案滲流量、溢出點(diǎn)高程與滲透坡降對(duì)比。分別計(jì)算不同方案的單寬滲流量、溢出點(diǎn)高程及滲透坡降以求進(jìn)一步對(duì)各方案的優(yōu)劣進(jìn)行對(duì)比分析。不同工況下下滲流量、溢出點(diǎn)高程及滲透坡降計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同工況下溢出點(diǎn)高程及滲透坡降

對(duì)比壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)可以看出，采用方案一時(shí)，當(dāng)土壩上游水位由正常蓄水位升高到校核洪水位時(shí)對(duì)壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響較小，原因是在壩后增加水平排水后，浸潤(rùn)線(xiàn)隨水位升高的幅度不大。顯然，這樣的結(jié)果對(duì)土壩安全更為有利。

(3)各方案下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)對(duì)比。從表3可以看出，采取砂礫石排水的方案一不僅可以有效降低浸潤(rùn)線(xiàn)，而且可以提高穩(wěn)定安全系數(shù)。

表3 下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)

(4)各方案工程造價(jià)對(duì)比。土壩碾壓要達(dá)到的密實(shí)度越大則施工難度越大，造價(jià)越高，可以看出方案三的造價(jià)最低。對(duì)于方案一而言，人工排水材料不同，造價(jià)不甚相同，但變化幅度不大，以礫石為例，取1m壩長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算，算得本例中防滲體部分造價(jià)為10150元。而上游土工膜防滲及土工膜所需上下墊層總價(jià)不超過(guò)5500元，但是上游壩坡處有礫石層，鋪設(shè)土工膜時(shí)，為防止頂破需拆除礫石護(hù)坡，會(huì)增加工程造價(jià)。而對(duì)于方案三而言，無(wú)需設(shè)置防滲排水，不會(huì)增加額外的造價(jià)。很明顯，方案一、二造價(jià)較高，方案三造價(jià)較低。

3 結(jié)果分析

壩后排水方案對(duì)降低壩體浸潤(rùn)線(xiàn)、提高壩坡安全穩(wěn)定系數(shù)最為有效，原因是壩后排水體滲透系數(shù)大，可以有效排出壩體內(nèi)部積水，但同時(shí)造價(jià)也最高，且壩后水平排水有淤塞失效的危險(xiǎn)，因此在實(shí)際工程中除了應(yīng)設(shè)置反濾層之外，還應(yīng)結(jié)合其他方案進(jìn)行防滲排水，比如與壩前土工膜防滲方案綜合使用。

降低加高壩體密實(shí)度及滲透系數(shù)的方案效果較差，但是也可以起到一定的作用，而且造價(jià)較低，適用于土壩等級(jí)較低的工程。但是需要注意的是，下游加高壩體的密實(shí)度較低，下游壩坡穩(wěn)定系數(shù)會(huì)因此受到一定影響。另外，對(duì)于有些原壩體的密實(shí)度不滿(mǎn)足規(guī)范要求的土壩，不能使用此方案。

土工膜防滲體的方案居中，原因是上游增設(shè)土工膜后可以有效減小進(jìn)入壩體內(nèi)部的水，從而降低浸潤(rùn)線(xiàn)，提高穩(wěn)定性。但是，土工膜是一種復(fù)合材料的薄膜，實(shí)際工程中有被頂破的可能，此時(shí)土工膜無(wú)法有效阻擋水浸入壩體，有可能帶來(lái)滲流、穩(wěn)定等多方面的問(wèn)題。

在工程實(shí)踐中應(yīng)綜合考慮筑壩當(dāng)?shù)貙?shí)際情況及工程造價(jià)等因素進(jìn)行方案選擇，也可結(jié)合三種方案綜合設(shè)計(jì)防滲排水方案。

4 結(jié)論

(1)下游貼坡式加高是一種十分普遍的土壩加高方式，但是通過(guò)分析和計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，這種加高方式面臨著滲流和穩(wěn)定兩方面的問(wèn)題。

(2)采用增設(shè)水平排水、土工膜防滲體或降低加高壩體密實(shí)度的措施可以降低浸潤(rùn)線(xiàn)，提高壩體穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)比計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，幾種方案各有利弊，實(shí)際工程可以借鑒此計(jì)算結(jié)果，根據(jù)不同工程情況，采取不同的措施。

(3)從土壩安全角度考慮，在壩后增設(shè)水平排水的方案更好，此方案下不僅土壩浸潤(rùn)線(xiàn)較低，滲流量較小，下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)較高，而且土壩的各項(xiàng)指標(biāo)隨水位的變化較小，更有利于壩體安全。實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)具體情況選擇方案，或者綜合三種方案中的兩種進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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P 642.22

A

1008-1305(2016)05-0102-02

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.05.035

2015-03-18

徐繼紅(1970年—)，女，技術(shù)員。