淤泥質(zhì)軟土壩基抗滑穩(wěn)定性分析及加固處理

趙 爽

（安徽三洲水利建設(shè)有限公司，安徽 宿州234000）

水庫(kù)大壩修建過(guò)程中會(huì)經(jīng)常遇到不良地質(zhì)現(xiàn)象，如邊坡失穩(wěn)、軟弱地基等。壩基是影響大壩安全的重要部位，由于壩基失穩(wěn)滑動(dòng)造成壩體失穩(wěn)破壞的事故屢見(jiàn)不鮮［1］。因此，在含有軟弱地基的壩址區(qū)修建水庫(kù)大壩時(shí)，需要準(zhǔn)確分析壩基抗滑穩(wěn)定性，為壩體設(shè)計(jì)和建設(shè)提供參考。目前，較為常用的水庫(kù)壩基穩(wěn)定性分析方法包括：數(shù)值模擬［2］、極限平衡［3］。極限平衡法計(jì)算安全系數(shù)受?chē)?guó)內(nèi)外行業(yè)專(zhuān)家、學(xué)者的認(rèn)可［4］，數(shù)值模擬方法可根據(jù)地質(zhì)情況，建立數(shù)值模擬模型，研究地質(zhì)體內(nèi)部應(yīng)力分布特征。

在含有軟弱地層的區(qū)域修建水庫(kù)大壩，若其安全性難以滿(mǎn)足規(guī)范要求，則需要采取相應(yīng)的加固措施，保證壩體的安全性。目前，有較多的方法加固壩基，如響水凹水庫(kù)采用振沖碎石樁加固壩基［5］、七里坡水庫(kù)采用高壓擺噴灌加固壩基［6］、紅山水庫(kù)采用強(qiáng)夯法加固壩基［7］、楊莊水庫(kù)采用壩前壓重法提高壩體安全性［8］。

本文以某大壩建于厚層淤泥質(zhì)軟土地質(zhì)水庫(kù)為例，研究壩基穩(wěn)定性和壩基抗滑穩(wěn)定性處理方法。

1 工程概況

水庫(kù)壩址位于洼地內(nèi)，洼地內(nèi)填充被黏土充填的塊石，采用土工膜防滲，大壩類(lèi)型為土石壩，最大壩高23.5m，頂寬5.0m，上、下游坡比為1∶2.5。壩體正常蓄水位高21.0m，設(shè)計(jì)洪水位22.3m，校核洪水位22.9m，死水位11.0m。河床壩基下設(shè)厚1.0m的上、下各有一層厚0.5m反濾層的堆石體，壩體斷面如圖1。

圖1 壩體剖面

2 壩基抗滑穩(wěn)定性分析

采用數(shù)值模擬方法研究壩基滲流及抗滑穩(wěn)定性，根據(jù)壩體剖面及地質(zhì)情況建立數(shù)值模擬模型，如圖2。

圖2 數(shù)值模擬模型

2.1 計(jì)算參數(shù)選取

由于土工膜厚度較薄，在模型建立時(shí)難以建立，根據(jù)前人研究，可采用當(dāng)量滲透系數(shù)來(lái)反映土工膜的滲透性［9］。根據(jù)滲流量恒定這一基本原理，土工膜厚度滿(mǎn)足式（1）：

式中 k1，k2分別為土工膜滲透系數(shù)和等效滲透系數(shù)；L為計(jì)算長(zhǎng)度（m）；Δh為水頭差（m）；δ，t分別為土工膜厚度（mm）和等效厚度（mm）。

通過(guò)計(jì)算，土工膜原厚度0.8mm，在模型建立時(shí)，土工膜厚度0.4m，滲透系數(shù)為5×10-9cm/s。壩體和壩基計(jì)算參數(shù)如表1。

表1 壩體、壩基數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)

2.2 壩體抗滑穩(wěn)定性分析

2.2.1 滲流分析

根據(jù)設(shè)計(jì)洪水位工況下滲流計(jì)算結(jié)果，由于土工膜滲透系數(shù)較小，提高了壩體的防滲效果，壓力水頭及浸潤(rùn)線如圖3。

圖3 壓力水頭及浸潤(rùn)線

由圖3可知，土工膜的存在，減少了入滲至壩基的地下水量，壩體底部浸潤(rùn)線較低，與壩基面幾乎平齊，下游壩腳處為逸出點(diǎn)，滲透坡降不大于0.1。

2.2.2 抗滑穩(wěn)定性分析

在完成壩體滲流分析的基礎(chǔ)上，研究加固前壩基抗滑穩(wěn)定性情況，不同水位下的壩體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 不同工況下壩坡安全性計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，所有工況下上游壩坡穩(wěn)定性情況較好，滿(mǎn)足規(guī)范安全要求，下游壩坡穩(wěn)定性較差，難以滿(mǎn)足安全要求，正常運(yùn)行下游壩坡安全系數(shù)小于1.25；在非正常運(yùn)行期間，下游壩坡安全系數(shù)小于1.15。因此，需要加固壩基。

3 壩基加固處理方案及效果研究

3.1 加固處理方案

3.1.1 加固方法比選

根據(jù)抗滑穩(wěn)定性分析，壩體破壞主要原因是淤泥質(zhì)土強(qiáng)度低，因此，提高壩體抗滑穩(wěn)定性可從以下兩個(gè)方面分析：①提高淤泥質(zhì)土抗滑能力，主要包括開(kāi)挖換填淤泥質(zhì)土、振沖碎石樁等；②平衡滑動(dòng)剪切力，主要包括壓重壩腳等?，F(xiàn)就3種方法進(jìn)行比選，比選內(nèi)容如表3。

表3 3種加固方案對(duì)比

根據(jù)表3對(duì)比，結(jié)合工程特點(diǎn)，選用壓重壩腳作為壩基抗滑治理方法。

3.1.2 加固工程設(shè)計(jì)

為合理設(shè)計(jì)壓重體體型，選擇3種方案進(jìn)行比選。分別設(shè)計(jì)壓重體寬為12，15，20m，下游坡比均為1∶3，并采用0.5m厚反濾層、0.5m厚塊石護(hù)坡。其中方案1～方案3填 筑 量分 別為：8.1×103，6.2×103，4.3×103m3。

通過(guò)穩(wěn)定性驗(yàn)算，方案1在設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，安全系數(shù)小于1.25，同時(shí)隨著壓重體增高，其安全系數(shù)下降，因此僅考慮方案2、方案3。方案3填筑量較少，但護(hù)坡及反濾層施工量較大且造價(jià)較高，通過(guò)計(jì)算方案3造價(jià)較方案2多約10萬(wàn)元，因此選擇方案2作為壩基加固方案。

3.2 加固效果分析

加固后壩坡安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表4。由表4可知，加固后正常運(yùn)行工況下下游壩坡安全系數(shù)由加固前的1.08～1.09提升至1.26～1.27，大于規(guī)范要求1.25；非正常運(yùn)行期間下游壩坡安全系數(shù)也由1.08～1.10提升至1.26～128，大于規(guī)范要求1.15。通過(guò)抗滑安全系數(shù)計(jì)算，采用壩腳壓重的方案，可提高該土石壩的抗滑安全系數(shù)。

表4 加固后不同工況壩坡安全性計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)數(shù)值模擬分析，在不進(jìn)行壩基加固處理時(shí)，下伏淤泥質(zhì)土軟弱壩基的土石壩下游壩坡安全系數(shù)小，沿淤泥質(zhì)土破壞，需要進(jìn)行壩基加固處理。

（2）通過(guò)方案比選，選擇壩腳壓重的處理方法提高抗滑安全系數(shù)，設(shè)計(jì)壓重體寬15.0m，高8.3m，壩坡系數(shù)為1∶3，經(jīng)計(jì)算，正常運(yùn)行工況下游壩坡安全系數(shù)由1.08～1.09提升至1.26～1.27，達(dá)到規(guī)范要求。