不同水位時(shí)防滲墻缺陷對(duì)土石壩穩(wěn)定性影響分析

段 芳

(湖北省漳河土木工程設(shè)計(jì)院，湖北 荊門 448000)

對(duì)于巖土體材料，水是影響其抗剪性質(zhì)最主要的因素，土石壩在長(zhǎng)期的水位變化過(guò)程中，壩體內(nèi)部發(fā)生滲流作用，影響著土石壩材料特性，進(jìn)而對(duì)土石壩的穩(wěn)定性造成影響[1- 3]。

對(duì)于覆蓋層較厚的壩體，采用混凝土防滲墻作為防滲體是一種經(jīng)濟(jì)有效的處理方式[4- 5]。防滲墻施工工藝在實(shí)際施工過(guò)程中，很難把握好施工質(zhì)量，防滲墻墻體易出現(xiàn)施工缺陷，例如厚薄不均、空洞等現(xiàn)象，這些缺陷可能對(duì)原設(shè)計(jì)的防滲效果造成嚴(yán)重影響[6- 8]。

利用GEO-STUDIO，對(duì)不同水位變化下不設(shè)置防滲墻和有防滲墻缺陷的壩體進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

1 模型的建立及參數(shù)

某小型農(nóng)田水庫(kù)總庫(kù)容大約為1200萬(wàn)m3，原設(shè)計(jì)壩頂寬為7m，壩頂高程為35m，壩身為碾壓式均質(zhì)土堤。土石壩多年運(yùn)行后，壩體出現(xiàn)滲漏，土石壩的下游坡段出現(xiàn)大面積坍塌，水庫(kù)的安全運(yùn)行受到嚴(yán)重影響。通過(guò)綜合分析，需要對(duì)土石壩進(jìn)行防滲加固，降低壩體的浸潤(rùn)線。圖1為土石壩全貌圖。

圖1 土石壩全貌

所研究的庫(kù)岸岸坡為粘土心墻土石壩，依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)以及規(guī)范[9]，對(duì)巖土體相關(guān)物理參數(shù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)取值，表1為壩坡相關(guān)的物理力學(xué)參數(shù)。利用GEO-STUDIO，對(duì)不同水位情況下設(shè)置防滲墻前后的壩體進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

2 防滲墻設(shè)置前

2.1 穩(wěn)定性分析

原壩體在正常蓄水位時(shí)，上游水位為47.875m，下游無(wú)水。對(duì)不同水位情況下的壩體進(jìn)行滲流穩(wěn)定性分析，上游水位從47.875m下降到35.575m，水位下降速度分別為3m/d、1m/d、0.5m/d，分別對(duì)1d、4d、10d、20d、120d、220d后的壩體進(jìn)行穩(wěn)定性分析，圖2為原水位情況下壩坡下游計(jì)算分析圖，因篇幅有限，圖3只列舉了原水位下降1d后不同下降速度情況下的壩坡穩(wěn)定性分析圖。

表1 坡體相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)

圖2 原水位情況下壩坡下游計(jì)算分析圖(FS=0.767)

圖3 原水位下降1d后壩體穩(wěn)定性分析圖

從圖3中可以看出，水位下降時(shí)，水位下降速度越大，圓弧深度越深，這是由于水位下降速度不同時(shí)，巖土體的孔隙水壓力也不同，坡體滲透作用力不同，導(dǎo)致圓弧發(fā)生位置有差異。

2.2 結(jié)果對(duì)比分析

為了直觀對(duì)比分析，表2和圖4列舉了設(shè)置防滲墻前不同水位變化情況下上游壩坡安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果。

表2 設(shè)置防滲墻前上游壩坡安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖4 設(shè)置防滲墻前上游壩坡安全系數(shù)計(jì)算分析圖

從圖4和表2中可知，庫(kù)水位下降幅度為12.3m，當(dāng)庫(kù)水位下降速度為3m/d時(shí)，水位下降4d后，壩坡安全系數(shù)最低為1.142，之后水位不再變化，壩坡安全系數(shù)逐漸穩(wěn)定；當(dāng)庫(kù)水位下降速度為1m/d時(shí)，水位下降10d后，壩坡安全系數(shù)最低為1.12，之后水位不再變化，壩坡安全系數(shù)逐漸穩(wěn)定；當(dāng)庫(kù)水位下降速度為0.5m/d時(shí)，水位下降20d后，壩坡安全系數(shù)最低為1.191，之后水位不再變化，壩坡安全系數(shù)逐漸穩(wěn)定。設(shè)置防滲墻前，隨著庫(kù)水位的降低，壩坡的安全系數(shù)也隨著降低，庫(kù)水位不再變化時(shí)，壩坡安全系數(shù)逐漸回升，但增加緩慢，壩坡的安全系數(shù)要低于水位下降初始時(shí)刻的安全系數(shù)。

3 有防滲墻缺陷

對(duì)原壩體進(jìn)行防滲加固處理，擬采用高壓噴射灌漿來(lái)設(shè)置防滲墻，高壓噴射灌漿是通過(guò)其高壓力作用，對(duì)地層進(jìn)行攪拌和切割，然后灌入水泥砂漿，使水泥砂漿與原土體混合，以此來(lái)提高原土體的固結(jié)性，降低原土體的滲透性。

該施工工藝在實(shí)際施工的過(guò)程中，很難把握好施工質(zhì)量，防滲墻墻體易出現(xiàn)施工缺陷，例如厚薄不均、空洞等現(xiàn)象，這些缺陷可能對(duì)原設(shè)計(jì)的防滲效果造成嚴(yán)重影響，本節(jié)將對(duì)防滲墻出現(xiàn)缺陷時(shí)的壩體進(jìn)行滲流穩(wěn)定性分析。

原壩體的填筑土層有三層，假設(shè)每個(gè)土層均有一個(gè)孔洞，直徑0.5m，孔洞滲透系數(shù)與原土層滲透系數(shù)相同。庫(kù)水位從47.875m下降到35.575m，水位下降速度分別為3m/d、1m/d、0.5m/d，對(duì)不同水位下降速度、不同時(shí)間段、不同缺陷位置的壩體進(jìn)行分析，因篇幅有限，只列舉了在原水位情況下和水位下降1d后的有防滲墻缺陷的壩體下游穩(wěn)定性分析圖。如圖5、6所示。

圖5 原水位情況下的有防滲墻缺陷的壩體下游穩(wěn)定性分析圖

圖6 水位下降1d后防滲墻缺陷位于壩身的壩體上游穩(wěn)定性分析圖

4 結(jié)果對(duì)比分析

為了直觀對(duì)比分析，對(duì)不同水位下降速度、不同時(shí)間段、不同缺陷位置的壩體穩(wěn)定性進(jìn)行比較，表3為原水位情況下防滲墻缺陷位置不同時(shí)壩坡下游計(jì)算結(jié)果表，表4和圖7為不同水位情況下防滲墻缺陷位于壩身時(shí)壩坡上游計(jì)算結(jié)果，表5和圖8為不同水位情況下防滲墻缺陷位于壩基細(xì)砂層時(shí)壩坡上游計(jì)算結(jié)果，表6和圖9為不同水位情況下防滲墻缺陷位于壩基強(qiáng)風(fēng)化花崗巖時(shí)壩坡上游計(jì)算結(jié)果。

表3 原水位情況下防滲墻缺陷位置不同時(shí)壩坡下游計(jì)算結(jié)果表

表4 不同水位情況下防滲墻缺陷位于壩身時(shí)壩坡上游計(jì)算結(jié)果表

表5 不同水位情況下防滲墻缺陷位于壩基細(xì)砂層時(shí)壩坡上游計(jì)算結(jié)果表

表6 不同水位情況下防滲墻缺陷位于壩基強(qiáng)風(fēng)化花崗巖時(shí)壩坡上游計(jì)算結(jié)果表

圖7 不同水位情況下防滲墻缺陷位于壩身時(shí)壩坡上游計(jì)算結(jié)果

圖8 不同水位情況下防滲墻缺陷位于壩基細(xì)砂層時(shí)壩坡上游計(jì)算結(jié)果

圖9 不同水位情況下防滲墻缺陷位于壩基強(qiáng)風(fēng)化花崗巖時(shí)壩坡上游計(jì)算結(jié)果

從表3中可以看出，在原水位情況下，防滲墻缺陷位于壩基細(xì)砂層時(shí)，壩坡下游的安全系數(shù)最低，這是由于壩基細(xì)砂層的滲透系數(shù)最大，庫(kù)水滲流時(shí)，滲流路徑發(fā)生了改變，滲流路徑將會(huì)變短，滲流量增大，巖層的滲透系數(shù)越大，防滲墻缺陷對(duì)壩體滲流的影響越大，導(dǎo)致壩坡下游的安全系數(shù)偏小。

有防滲墻缺陷時(shí)，不管防滲墻缺陷位于哪個(gè)土層，隨著庫(kù)水位的降低，壩坡上游的安全系數(shù)均為先減小后逐漸回升的趨勢(shì)，水位下降速度越大，壩坡上游安全系數(shù)越低。相比于設(shè)置防滲墻前，防滲墻缺陷使得上游壩坡的安全系數(shù)的最小值整體減小，可見(jiàn)防滲墻缺陷的存在，對(duì)壩坡上游穩(wěn)定性影響很大。

5 結(jié)論

利用軟件GEO-STUDIO，對(duì)不同水位變化下不設(shè)置防滲墻和有防滲墻缺陷的壩體進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

設(shè)置防滲墻前，隨著庫(kù)水位的降低，壩坡的安全系數(shù)也隨著降低，庫(kù)水位不再變化時(shí)，壩坡安全系數(shù)逐漸回升，但增加緩慢，壩坡的安全系數(shù)要低于水位下降初始時(shí)刻的安全系數(shù)。隨著庫(kù)水位的下降，水位下降速度越大，上游壩坡安全系數(shù)越低。

巖層的滲透系數(shù)越大，防滲墻缺陷對(duì)壩體滲流的影響越大，導(dǎo)致壩坡下游的安全系數(shù)偏小。相比于設(shè)置防滲墻前，防滲墻缺陷使得上游壩坡的安全系數(shù)的最小值整體減小，可見(jiàn)防滲墻缺陷的存在，對(duì)壩坡上游穩(wěn)定性影響很大。