土工膜在淤地壩蓄水改造中的應(yīng)用研究

聶興山

（山西省水土保持科學(xué)研究所）

淤地壩一般以攔泥淤地為主，不進(jìn)行長(zhǎng)期蓄水。若將淤地壩進(jìn)行蓄水改造，可以短期解決部分丘陵山區(qū)的用水緊張問(wèn)題。本項(xiàng)研究以平陸縣賀家莊骨干淤地壩為例，選擇PE 土工膜作為壩體蓄水防滲材料，開(kāi)展了土工膜防滲方案設(shè)計(jì)[1]，并對(duì)壩體的滲透性和穩(wěn)定性?xún)纱箨P(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了理論分析。

1 賀家莊骨干壩及工程區(qū)概況

賀家莊骨干壩位于平陸縣部官鄉(xiāng)皂坡村，地處鄭溝流域中游，屬直接入黃溝道，距縣城約10 km。流域地貌類(lèi)型為黃土殘塬溝壑區(qū)，耕地較多，植被稀少，地形破碎，溝壑縱橫，水土流失十分嚴(yán)重。據(jù)測(cè)算，流域年徑流總量1 088.9萬(wàn)m3，汛期輸沙量占到年輸沙總量95%以上，適宜打壩淤地。

該壩于2003年動(dòng)工興建，2004年建成投入運(yùn)行。壩控流域面積6.7 km2，總庫(kù)容59.4萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 a 一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200 a 一遇。壩型為均質(zhì)碾壓土壩，壩高23.0m，壩頂寬4 m；上游邊坡1∶2.5，下游邊坡1∶2、1∶1.5；馬道設(shè)在壩高12 m處，寬度1.5 m；壩體設(shè)有棱體式反濾排水。作為骨干壩已運(yùn)行多年，現(xiàn)已攔泥16.8萬(wàn)m3，淤泥層厚11.3 m。上游校核洪水位為451.5m，下游校核洪水位為430 m。壩基高程430m，上游校核水深21.5m，下游校核水深0 m。

壩控流域?qū)俚湫偷呐瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，春季干燥多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季涼爽濕潤(rùn)，冬季寒冷少雪。年均氣溫13.8℃，極端最高氣溫41.3℃，極端最低氣溫-13.3℃，年≥10℃的積溫4 466.3℃；年降水量551.3 mm，主要集中在7-9月，雨型多為短歷時(shí)高強(qiáng)度暴雨，極易產(chǎn)生地表徑流與土壤沖刷；年蒸發(fā)量2 281.6 mm，相當(dāng)于年降水量的4倍余；年日照時(shí)數(shù)2 272 h，無(wú)霜期238.4 d，最大凍土深度30 cm。

壩控流域涉及皂坡、汪莊、上卓3個(gè)村，共1 200口人，550個(gè)勞動(dòng)力，耕地面積280 hm2。根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展情況，具有蓄水需求。配套提水工程后，年可有效灌溉農(nóng)田166.67 hm2。

2 淤地壩土工膜防滲改造初步方案設(shè)計(jì)

參考長(zhǎng)堰水庫(kù)[2]、大牛溝水庫(kù)[3]、呼延調(diào)蓄工程[4]的防滲體系，選取的復(fù)合土工膜規(guī)格為250 g/0.5 mm。防滲改造初步方案設(shè)計(jì)如下三種：

（1）方案A1。僅考慮復(fù)合土工膜斜墻，首先清理壩坡，然后依次在壩面上鋪設(shè)20 cm 砂墊層、復(fù)合土工膜、20 cm 砂墊層、30 cm 碎石過(guò)渡層及30 cm 干砌石護(hù)坡，庫(kù)區(qū)淤泥層下挖1.5 m。

（2）方案A2。復(fù)合土工膜斜墻加10 m 長(zhǎng)的水平鋪蓋，其他處理同方案A1。

（3）方案A3。復(fù)合土工膜斜墻加60 m 長(zhǎng)的水平鋪蓋，其他處理同方案A1。

3 壩體穩(wěn)定性計(jì)算分析

3.1 計(jì)算原理

運(yùn)行ABAQUS 軟件，應(yīng)用強(qiáng)度折減法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。這種方法，最早由Zienkiewicz 等提出，其定義為：在外荷載保持不變的情況下，邊坡內(nèi)土體所能提供的最大抗剪強(qiáng)度與外載荷在邊坡內(nèi)所產(chǎn)生的實(shí)際剪應(yīng)力之比；在極限狀態(tài)下，外荷載所產(chǎn)生的實(shí)際剪應(yīng)力與抵御外荷載所發(fā)揮的最低抗剪強(qiáng)度，即按照實(shí)際強(qiáng)度指標(biāo)折減后所確定的、實(shí)際中得以發(fā)揮作用的抗剪強(qiáng)度相等[5-6]。折減后的抗剪強(qiáng)度參數(shù)為：

式中：c、φ是土體能提供的抗剪強(qiáng)度；cm、φm是土體實(shí)際發(fā)揮作用的抗剪強(qiáng)度；Fr是折減系數(shù)。

3.2 分析判斷標(biāo)準(zhǔn)

判斷土坡達(dá)到臨界破壞的評(píng)價(jià)標(biāo)椎：（1）數(shù)值計(jì)算收斂與否；（2）特征部位的位移拐點(diǎn)；（3）是否形成連續(xù)的貫通區(qū)。塑性區(qū)的貫通是邊坡失去穩(wěn)定的必要不充分條件，還要看其是否具有邊坡破壞的特征。邊坡失穩(wěn)時(shí)，有限元程序無(wú)法從有限元方程組中找到一個(gè)既能滿(mǎn)足靜力平衡，又能滿(mǎn)足應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系和強(qiáng)度準(zhǔn)則的解。因此，本項(xiàng)研究以數(shù)值計(jì)算是否收斂作為邊坡失穩(wěn)的判斷依據(jù)，統(tǒng)一采用坡頂?shù)乃轿灰拼笮?lái)判斷邊坡是否失穩(wěn)[7]。

圖1 理論公式計(jì)算的壩體浸潤(rùn)線(xiàn)圖

壩體安全系數(shù)與水平位移的關(guān)系，詳見(jiàn)圖3。

圖3 原壩體安全系數(shù)Fv1與水平位移U1關(guān)系曲線(xiàn)圖

應(yīng)用瑞典圓弧法，經(jīng)計(jì)算壩體的安全系數(shù)為1.112，查圖2可知，流固耦合法計(jì)算的安全系數(shù)為1.158，相差僅0.046，安全系數(shù)吻合良好。大壩級(jí)別為

4 流固耦合原理及驗(yàn)證

4.1 流固耦合原理

在實(shí)際的滲流過(guò)程當(dāng)中，由于孔隙流體壓力的變化，會(huì)引起土骨架有效應(yīng)力的變化，直接導(dǎo)致土體的滲透率和孔隙度的變化；土體的滲透率和孔隙度的變化，會(huì)反過(guò)來(lái)影響孔隙流體的流動(dòng)和壓力的分布。這就是流固耦合的本質(zhì)[8]。本項(xiàng)研究采用直接耦合的方法，同時(shí)計(jì)算滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)疊代而得到計(jì)算結(jié)果。具體做法為：利用ABAQUS有限元軟件提供的孔隙流體/應(yīng)力耦合分析步驟，求解飽和土—非飽和土的滲流固結(jié)問(wèn)題。在Property模塊中，設(shè)置隨孔隙比變化的滲透系數(shù)，定義飽和度與滲透系數(shù)的變化關(guān)系；定義材料的吸濕曲線(xiàn)、脫水曲線(xiàn)，設(shè)置材料的摩爾—庫(kù)侖塑性；在Load 模塊中設(shè)置孔壓邊界等；在Mesh 模塊中采用CPE4P的孔壓?jiǎn)卧獎(jiǎng)澐志W(wǎng)格，進(jìn)行流固耦合分析；最終求得壩體的穩(wěn)定安全系數(shù)。

4.2 流固耦合驗(yàn)證

圖2 流固耦合原理計(jì)算的壩體浸潤(rùn)線(xiàn)圖

對(duì)比圖1、圖2可知，壩體浸潤(rùn)線(xiàn)整體吻合良好。但是，采用理論公式在浸潤(rùn)線(xiàn)進(jìn)口段需手動(dòng)修正，容易產(chǎn)生人為誤差，而用流固耦合的方法所得浸潤(rùn)線(xiàn)更加精確。5 級(jí)，以校核洪水位為計(jì)算工況，按《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，壩坡抗滑穩(wěn)定的最小安全系數(shù)為1.15。若用瑞典圓弧法的計(jì)算結(jié)果，則該壩需要除險(xiǎn)加固；若用流固耦合法的計(jì)算結(jié)果，稍大于允許的安全系數(shù)。但是流固耦合的結(jié)果，存在比實(shí)際值偏大的可能，從工程的安全可靠性分析，也需進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

5 賀家莊骨干壩改造方案比選

賀家莊骨干壩的三個(gè)改造方案，壩體安全系數(shù)與水平位移關(guān)系、壩體浸潤(rùn)線(xiàn)，其計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)圖4 和圖5、圖6 和圖7、圖8 和圖9所示，上游壩面的浸潤(rùn)線(xiàn)距壩基高度和流固耦合的安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

圖4 方案A1的安全系數(shù)Fv1與U1關(guān)系曲線(xiàn)圖

圖5 方案A1的壩體浸潤(rùn)線(xiàn)圖

圖6 方案A2的安全系數(shù)Fv1與U1關(guān)系曲線(xiàn)圖

圖7 方案A2的壩體浸潤(rùn)線(xiàn)圖

圖8 方案A3的安全系數(shù)Fv1與U1關(guān)系曲線(xiàn)圖

圖9 方案A3的壩體浸潤(rùn)線(xiàn)圖

表1 淤地壩蓄水改造方案計(jì)算結(jié)果對(duì)比表

由圖4至圖9和表1可見(jiàn)，水平鋪蓋長(zhǎng)度的增加，對(duì)浸潤(rùn)線(xiàn)距壩基高度的降低和安全系數(shù)的增大，影響較小?？紤]到施工的難易程度和避免在未鋪設(shè)水平鋪蓋的坡腳處發(fā)生局部的滲透破壞，最終確定防滲改造方案為A2，即復(fù)合土工膜斜墻加10 m 長(zhǎng)的水平鋪蓋。

6 結(jié)論

運(yùn)用流固耦合理論方法，對(duì)賀家莊骨干壩在校核洪水位下原壩體的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)算。結(jié)果顯示：

（1）流固耦合的浸潤(rùn)線(xiàn)、安全系數(shù)與傳統(tǒng)方法的計(jì)算結(jié)果吻合良好。

（2）將驗(yàn)證可行的流固耦合模型應(yīng)用于淤地壩防滲改造的方案比選中，比選結(jié)果表明，水平鋪蓋長(zhǎng)度的增加對(duì)浸潤(rùn)線(xiàn)的降低和安全系數(shù)的增大影響較小。

（3）對(duì)比改造前后的方案可知，安全系數(shù)加固前為1.158，加固后提高到1.438，增加了0.28，穩(wěn)定性提升顯著。

（4）對(duì)比加固前后的浸潤(rùn)線(xiàn)可知，浸潤(rùn)線(xiàn)整體下降，更為平緩，可有效降低滲透破壞發(fā)生的可能性，增強(qiáng)大壩的蓄水能力，加固方案可行。

（5）流固耦合的浸潤(rùn)線(xiàn)處理過(guò)程更加簡(jiǎn)單，不用通過(guò)理論公式的計(jì)算，而是進(jìn)行滲流分析，就可快速得出在各種復(fù)雜的壩體邊坡或地基各部位滲透系數(shù)復(fù)雜條件下的浸潤(rùn)線(xiàn)，計(jì)算結(jié)果更加精確。