非穩(wěn)定滲流期解析法在均質(zhì)土壩浸潤線確定中的應用

駱秀萍，易 平

(新疆兵團勘測設(shè)計院(集團)有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

我國目前已修建了8.6萬余座水庫，其中約有93%屬于土石壩[1]，近年來，許多中小型水庫陸續(xù)出現(xiàn)不同程度的病險問題[2]。根據(jù)土石壩工程安全事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，其中有37.1%的安全問題是由滲透變形引起的，因此研究土石壩滲流安全是水庫大壩尤其是土石壩的重要安全問題之一[3]。水流通過壩體和壩基時存在壓力和梯度，壩體、壩基滲漏量過大不僅會使水庫產(chǎn)生損失、降低水庫效益，還會造成壩坡失穩(wěn)、壩體和壩基發(fā)生滲流破壞的安全隱患，而土石壩浸潤線是大壩滲流量計算及壩坡抗滑，抗震，抗?jié)B能力復核的重要依據(jù)[4-5]，因此，正確確定大壩浸潤線對水庫大壩進行滲流計算，對保障大壩安全穩(wěn)定運行和提高工程效益具有重要的現(xiàn)實意義[6]，特別是當庫水位下降時，大壩滲流形成非恒定流，壩體內(nèi)浸潤線高于坡外庫水位，較高的孔隙水壓力和滲透力會使上游壩坡具有下滑趨勢，甚至釀成滑坡事故[7]。因此，如何確定土石壩浸潤線保證壩體穩(wěn)定是實際工程中需要研究的重要問題。文章采用解析法確定均質(zhì)土壩在非穩(wěn)定滲流期的浸潤線，對大壩安全運行具有一定的借鑒意義。

1 計算原則

當水庫水位下降時，壩體空隙中所含的水分，一部分會從上游坡面逸出，導致壩體中的浸潤線逐漸下降，但其下降速度滯后于庫水位下降速度，從而形成非恒定滲流。此時大壩上游坡受到滲流作用力，穩(wěn)定性減弱。尤其當水庫水位驟降時，滲流作用力變大，再加上孔隙壓力的影響，就有可能導致上游坡失穩(wěn)，發(fā)生坍塌，因而在重要的工程設(shè)計中，需要對非穩(wěn)定滲流期大壩上游坡的穩(wěn)定性進行校核。

目前為止嚴格求解非穩(wěn)定滲流期大壩浸潤線尚無具體方法，故常采用近似的簡化方法進行處理[8]。對均質(zhì)土壩，通常將k/μv(k為滲流系數(shù)，μ為土的排水系數(shù)，v為庫水位下落速度)作為判別浸潤線滯后于庫水位下降的一個判別指標，當0.120～100時，浸潤線與庫水位接近同步下降，可不考慮庫水位下降時對壩坡穩(wěn)定的不利影響。

2 基于解析法的浸潤線位置確定

2.1 初始滲流參數(shù)的確定

非穩(wěn)定滲流在進行大壩滲流計算時，初始條件會對計算結(jié)果產(chǎn)生重大的影響，因此如果沒有較為統(tǒng)一、合理的初始條件，非穩(wěn)定滲流的計算結(jié)果就難以具有合理性、比較性和實用性[9]。當均質(zhì)土壩(設(shè)排水棱體)位于不透水地基上，初始時(t=0)可近似認為恒定滲流浸潤線逸出點在下游水位與棱體內(nèi)坡的交點處。浸潤線方程為：

圖1 大壩滲流計算參數(shù)示意圖

表1 土類系數(shù)表

(1)

l=d-m1H

(2)

(3)

其中：

(4)

(5)

式中，h0—初始時的浸潤線高度。

各參數(shù)l，H1，H2，d，m1，l1，Δl如圖1所示。

初始時的單寬滲流量為：

(6)

當水庫水深由初始時的H1以速度v(作常數(shù)考慮)下降到時刻為t的h1時，浸潤線在上游坡的出滲高度hB由下式計算：

(7)

其中：

(8)

lt=l+m1(H-h1-hB)

(9)

p(n)為函數(shù)，可查水力計算手冊確定。其中：

(10)

式中，k—壩身滲流系數(shù)；μ—壩身排水系數(shù)，μ=αp；p—土的孔隙率；α—系數(shù)，可由表1確定。

式(7)中，F(xiàn)(λτ，n)為函數(shù)，可查水力計算手冊確定。

λτ由式(11)計算：

(11)

2.2 出滲高度的計算

采用試算法確定hB值，然后用此hB值分別由式(8)～(11)及查水力計算手冊可求出H0，lt，n，λτ，p(n)及F(λτ，n)值，當庫水位降至水深h1時根據(jù)下式計算浸潤線：

(12)

y=x+m1(H-h1-hB)

(13)

式中，F(xiàn)(λ，n)—查水力計算手冊確定。

其中：

(14)

由上可見，根據(jù)已知的k,μ，h1，t值并結(jié)合2.1節(jié)已求出的各個參數(shù)值，給定不同的x值，便可相繼由式(13)可求得不同的y值，代入式(14)可得相應的λ值，查水力計算手冊可得相應F(λτ，n)值，從而可根據(jù)式(12)便可求得水庫水位降落后壩體內(nèi)不同水平位置處浸潤線的高度，即為所求浸潤線。

3 工程實例驗證

某水庫為均質(zhì)土壩，壩基不透水，壩高25m，上游坡坡比1∶3.0，下游坡坡比1∶2.0，下游坡設(shè)置排水棱體，庫水位在4d時間內(nèi)自H1=22m以速度3m/d下降至h1=10m，下游水位H2=4m保持不變，壩體滲流系數(shù)為2.2m/d，壩身排水系數(shù)μ=1，利用解析法計算大壩在初始水位及水位降落后的浸潤線，計算結(jié)果見表2和表3。

表2 初始浸潤線

水位降落初始浸潤線及降落后浸潤線如圖2所示。

4 結(jié)論

合理確定土壩浸潤線的位置，對壩體斷面設(shè)計及滲流計算有重要影響。水庫水位降落時壩體內(nèi)滲流情況復雜，解析法可準確確定大壩在非穩(wěn)定滲流期的浸潤線，對工程設(shè)計具有指導意義。

圖2 非穩(wěn)定滲流期水庫浸潤線