反濾土工布淤堵對(duì)土壩滲流穩(wěn)定影響分析

朱積軍，簡(jiǎn)鴻福，呂 輝

(1.豐城市豐東灌區(qū)管理局,江西 豐城 331100；2.江西省水利科學(xué)研究院,江西 南昌 330029)

土工布是一種人工合成材料，質(zhì)輕、抗拉強(qiáng)度高、方便耐用、成本低[1- 3]，因其良好的水力特性被廣泛應(yīng)用于水利工程排水和反濾設(shè)施中，理想的反濾土工布在保證透水的前提下，能夠防止土顆粒的過度流失、造成管涌或流土現(xiàn)象[4- 5]。目前，土工布在不少工程的大壩防滲、排水反濾、防汛搶險(xiǎn)、邊坡水土保持中發(fā)揮了積極的作用[6]。

土工布保土性、透水性和抗淤堵性的能力不同，在工程實(shí)例中如果沒有綜合考慮被保護(hù)土的滲透特性和粒徑分布特征，使用后可能發(fā)生土工布淤堵，致使反濾排水效果下降，對(duì)土壩滲流穩(wěn)定造成不良影響。本文介紹了某水庫(kù)在除險(xiǎn)加固中大壩排水棱體前鋪設(shè)了一層土工布，運(yùn)行數(shù)年后壩體下游水位逐年抬升，溢出點(diǎn)已高出棱體頂?shù)膶?shí)例，采用Geostudio軟件，計(jì)算分析了該土壩在土工布淤堵前后的滲透穩(wěn)定性，結(jié)果表明反濾土工布發(fā)生淤堵后對(duì)土壩的滲流穩(wěn)定有不利影響[7- 8]，并在此基礎(chǔ)上提出了土工布的選擇原則，為工程加固處理提供理論依據(jù)。

1 工程概況

某水庫(kù)位于鄱陽湖環(huán)湖區(qū)水系，由于壩體填筑質(zhì)量差，壩身、壩基滲漏嚴(yán)重，下游坡抗滑穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求，2006年進(jìn)行除險(xiǎn)加固時(shí)采用塑性混凝土防滲墻結(jié)合帷幕灌漿對(duì)壩體、壩基進(jìn)行防滲，翻修下游排水棱體，并在排水棱體前與壩體土結(jié)合部位鋪設(shè)了一層反濾土工布，運(yùn)行數(shù)年后大壩下游棱體頂至以上4m高的區(qū)域出現(xiàn)大面積濕潤(rùn)、散浸現(xiàn)象，采用鉆孔方式將土工布打穿，當(dāng)時(shí)散浸現(xiàn)象消失，但數(shù)年后散浸現(xiàn)象又反復(fù)出現(xiàn)。

2 壩體結(jié)構(gòu)及巖土參數(shù)

大壩為均質(zhì)土壩(上一次除險(xiǎn)加固中在壩軸線偏上游側(cè)3m處設(shè)塑性混凝土防滲墻，墻厚0.6m，墻底入基巖0.5m)，壩高36m，壩頂寬度6.0m；上游坡在壩頂以下12.22m處設(shè)2m寬?cǎi)R道，自上而下坡度分別為1∶3.23、1∶4.14；下游坡在壩頂以下15.46m處設(shè)馬道，自上而下坡度分別為1∶2.52、1∶2.67；下游壩腳設(shè)排水棱體，反濾過渡層的砂卵石層之間設(shè)土工布；壩基主要由第四系松散巖層及花崗斑巖組成，壩基上部主要由壤土、砂卵石組成。土壩計(jì)算斷面及材料分區(qū)如圖1所示。

壩體填土主要為含少量礫的粉質(zhì)黏土及粉土，土體中細(xì)粒、黏粒含量多。本次計(jì)算模型中各巖土分區(qū)的基本參數(shù)按照地勘資料選取，各分區(qū)滲透系數(shù)：壩體土為1.64×10-4cm/s，塑性混凝土防滲墻為1.0×10-6cm/s，壩基上部壤土為1.93×10-4cm/s，壩基砂卵石層為1.16×10-2cm/s，正常情況下排水棱體為3.0×10-2cm/s，反濾土工布淤堵后的滲透系數(shù)為1.0×10-6cm/s。

3 滲流穩(wěn)定計(jì)算

3.1 計(jì)算模型及邊界條件

土壩滲流計(jì)算理論采用達(dá)西定律，非飽和土體的滲透系數(shù)隨基底吸力的變化而變化，本次計(jì)算選取一個(gè)斷面，將此工程滲流簡(jiǎn)化為二維模型，得到滲流穩(wěn)定微分方程式[9- 10]如下：

圖1 土壩計(jì)算斷面及材料分區(qū)圖

上游水位/m下游水位/m水頭/m滲透坡降/允許滲透坡降下游壩坡出逸段混凝土防滲墻壩基壤土層壩基砂卵石層浸潤(rùn)線出逸點(diǎn)高程/m計(jì)算單寬滲流量/(m3·d-1·m-1)土工布淤堵情況74.0047.0025.000.10/0.420.6/500.14/0.40.026/0.247.000.800未淤堵74.0047.0025.000.16/0.413.9/500.09/0.40.018/0.254.530.762淤堵

(1)

式中，kx、kz—水平和垂向兩個(gè)方向的滲流流速；h—水頭函數(shù)。

模型建立過程中，上游水位邊界采用正常蓄水位，下游水位邊界為地面高程，土壩基礎(chǔ)按不透水地基考慮。

3.2 計(jì)算過程及結(jié)果

采用Geostudio軟件中的SEEP/W和SLOPE/W模塊分析壩體滲透和抗滑穩(wěn)定性[11- 12]，計(jì)算時(shí)對(duì)壩體各分區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

3.2.1滲流計(jì)算

選取正常蓄水位工況進(jìn)行穩(wěn)定滲流計(jì)算，考慮排水棱體正常運(yùn)行和反濾土工布淤堵兩種情況。經(jīng)計(jì)算，兩種情況最大滲透坡降均發(fā)生在混凝土防滲心墻內(nèi)，下游壩坡出逸段、混凝土防滲墻、壩基壤土層、壩基砂卵石層坡降值均在允許坡降范圍內(nèi)，壩體內(nèi)局部滲透穩(wěn)定性較好，產(chǎn)生滲透破壞的可能性不大。當(dāng)排水棱體與其下部砂卵石層均因土工布淤堵造成排水效果大幅削弱時(shí)，下游壩坡出逸坡降增大，雖在允許值范圍內(nèi)，但出逸點(diǎn)偏高，但大范圍的散浸，降低下游壩坡土體的抗剪強(qiáng)度，不利于壩體穩(wěn)定。計(jì)算滲流如圖2—3所示，滲流計(jì)算值及滲流量見表1。

圖2 正常蓄水位下穩(wěn)定滲流計(jì)算成果圖(土工布未淤堵)

圖3 正常蓄水位下穩(wěn)定滲流計(jì)算成果圖(土工布淤堵)

3.2.2抗滑穩(wěn)定計(jì)算

采用畢肖普法計(jì)算下游壩坡的抗滑穩(wěn)定性[13]，在滲流計(jì)算的基礎(chǔ)上，土工布未淤堵情況下下游壩坡的最小安全系數(shù)為K為1.403，滿足規(guī)范要求；土工布淤堵情況下下游壩坡的最小安全系數(shù)K為1.283，小于規(guī)范要求的1.30，不滿足規(guī)范要求，計(jì)算成果如圖4所示。

圖4 正常蓄水位時(shí)的大壩下游坡K=1.403(土工布未淤堵)

圖5 正常蓄水位時(shí)的大壩下游坡K=1.283(土工布淤堵)

4 成果分析

(1)當(dāng)反濾土工布發(fā)生淤堵時(shí)，壩體浸潤(rùn)線在排水棱體之上出逸，與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的下游壩坡濕潤(rùn)區(qū)基本一致，此時(shí)下游壩坡出逸坡降增大，雖在允許值范圍內(nèi)，但出逸點(diǎn)偏高，大范圍的散浸降低了下游壩坡土體的抗剪強(qiáng)度，不利于壩體穩(wěn)定，可能引起下游壩坡的局部滑塌。經(jīng)穩(wěn)定計(jì)算，當(dāng)反濾土工布淤堵時(shí)，下游壩坡的抗滑穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求，對(duì)土壩穩(wěn)定不利。

(2)經(jīng)分析認(rèn)為：水庫(kù)在運(yùn)行過程中，大壩下游坡出現(xiàn)散浸現(xiàn)象后曾用鉆穿土工布方式進(jìn)行導(dǎo)滲，滲透水通過鉆孔流向棱體內(nèi)，散浸現(xiàn)象消失，壩內(nèi)水位下降，出逸點(diǎn)降低；數(shù)年后，壩內(nèi)土輸移沉積又將鉆孔堵住，壩腳水位再次抬高，滲流水出逸點(diǎn)升高，下游壩坡再次出現(xiàn)散浸現(xiàn)象。

(3)土工布的特性主要為保土性、透水性和抗淤堵性。該水庫(kù)壩體填土中細(xì)粒和黏粒含量較多，又采用土工布作為反濾結(jié)構(gòu)，在滲透水壓力作用下，開始階段水能夠在土工布空隙中自由流動(dòng)，細(xì)粒土也在滲透水流的裹挾下到達(dá)土工布，但致密的結(jié)構(gòu)讓某一級(jí)的細(xì)土粒在土工布表面和內(nèi)部慢慢沉積，土工布孔隙率逐漸減小，透水性隨之降低；當(dāng)淤堵細(xì)顆粒達(dá)到一定程度時(shí)產(chǎn)生淤堵，結(jié)構(gòu)失去排水反濾作用，即出現(xiàn)了文中描述的壩腳水位抬升、出逸點(diǎn)高于棱體頂面的現(xiàn)象。

5 結(jié)語

土工布在防汛搶險(xiǎn)、邊坡防護(hù)等水利工程排水和反濾設(shè)計(jì)中得到了廣泛運(yùn)用，但作為永久性建筑物的一部分長(zhǎng)期使用，應(yīng)綜合分析被防護(hù)土體的成分和粒徑大小，在土工布前后設(shè)計(jì)合理的砂卵石過渡層，選擇具有適宜孔徑，有較強(qiáng)抗淤堵性的土工布。

該工程壩體填土細(xì)顆粒較多，設(shè)計(jì)前未進(jìn)行土工布和土料的適應(yīng)性分析，不能起過渡反濾作用，應(yīng)拆除該反濾土工布，改填級(jí)配較好的砂卵石過渡反濾層，讓壩體滲水從棱體內(nèi)部出逸，確保土壩安全運(yùn)行。對(duì)于土工布和不同土料之間的適應(yīng)性，還需要通過試驗(yàn)方法來驗(yàn)證和進(jìn)一步研究。