壩體加固后滲流穩(wěn)定性計(jì)算研究

朱 琪

(金溪縣水利局，南昌 344800)

1 概 述

截止目前，我國(guó)各地修建了大量水庫(kù)大壩等水利工程。但水庫(kù)大壩在長(zhǎng)期使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生滲流、滑坡、管涌等病害問(wèn)題。針對(duì)大壩出現(xiàn)的各種問(wèn)題，研究人員進(jìn)行了大量的研究，并取得了相關(guān)的成果。

張雙龍等[1]將灌漿技術(shù)應(yīng)用在壩體等水利工程項(xiàng)目中，研究分析了壩體出現(xiàn)滲漏的原因并對(duì)該工程進(jìn)行了防滲處理；黃昌乾、丁恩保等[2]基于現(xiàn)有研究對(duì)邊坡壩體工程中的穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行了系統(tǒng)的綜述，總結(jié)并闡述了對(duì)應(yīng)方法的優(yōu)劣性，為水利邊坡研究提供了很好的理論依據(jù)；王維娜、殷秀海等[3]就壩體分析常用的極限平衡和強(qiáng)度折減等兩種分析方法進(jìn)行了對(duì)比分析，研究表明強(qiáng)度折減法更具有優(yōu)勢(shì)；許書(shū)源等[4]基于某實(shí)例礦壩工程，采用數(shù)值分析的方法就該壩體堆載前后的滲流穩(wěn)定性進(jìn)行了研究分析，并給出了相應(yīng)的維護(hù)處理建議；沙成剛等[5]以青海某水庫(kù)大壩為工程背景，采用有限元分析方法，研究分析了不同水位下大壩的滲流特性和邊坡穩(wěn)定性，并就該大壩的穩(wěn)定安全值進(jìn)行了的評(píng)定；李勝等[6]基于某實(shí)例礦壩研究分析了該壩體的應(yīng)力、應(yīng)變、滲透性與巖石狀態(tài)的關(guān)系，為類似工程提供了參考價(jià)值；陳耀華等[7]同樣以某實(shí)例邊坡為研究背景，采用數(shù)值模擬的分析方法，探討了降雨對(duì)該邊坡的穩(wěn)定性影響以及不同降雨條件下的邊坡破壞程度；夏冬、常宏等[8]使用有限元分析方法，結(jié)合某實(shí)例工程，研究分析了礦壩施工過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，并對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估。

2 工程概況

2.1 水庫(kù)概況

本研究以浙江某水庫(kù)為研究對(duì)象。該水庫(kù)坐落于群山之中，庫(kù)岸巖石為密實(shí)度較高的火山巖，兩側(cè)邊坡較為穩(wěn)定。該水庫(kù)的總庫(kù)容為129.37×104m3，正常蓄水庫(kù)容105.76×104m3，壩高32.46 m，主要用于農(nóng)田灌溉。

2.2 加固方案

結(jié)合水庫(kù)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的滲漏和穩(wěn)定性問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行了防滲加固。具體加固處理根據(jù)防洪標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范所制定，大壩加固項(xiàng)目見(jiàn)表1。

表1 防滲加固項(xiàng)目

3 模型介紹

本節(jié)采用Geo-Studio對(duì)大壩進(jìn)行滲流穩(wěn)定性分析，表2為具體建模分析步驟。根據(jù)水文地質(zhì)資料可知，該水庫(kù)大壩高度為26 m，壩頂高程為32.46 m，壩頂寬6.5 m，壩底寬130 m，壩頂長(zhǎng)235 m，水庫(kù)校核洪水位32.56 m，正常蓄水位 31.25 m。本文選取大壩中心和左壩肩兩個(gè)區(qū)域作為研究對(duì)象進(jìn)行研究分析，圖1、圖2為根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況建立的壩體中心模型圖和壩體左肩模型圖。

表2 模型建立步驟

圖1 壩體中心模型圖

圖2 左壩肩模型圖

4 結(jié)果分析

4.1 滲流分析

本節(jié)就加固前后壩體中心區(qū)域和左壩肩兩個(gè)研究部分在正常水位和蓄水位兩種不同工況下的浸潤(rùn)線位置特征進(jìn)行了分析，表3、表4分別為加固前壩體中心區(qū)域和左壩肩各土層滲透系數(shù)表。

表3 加固前壩體中心區(qū)域各土層滲透系數(shù)表

表4 加固前左壩肩各土層滲透系數(shù)表

4.1.1 加固前壩體滲流分析

圖3和圖4為加固前壩體中心區(qū)域正常蓄水位、校核蓄水位兩種不同工況下浸潤(rùn)線位置圖。由圖3和圖4可知，當(dāng)水庫(kù)大壩水位為正常蓄水位時(shí)，壩體的單寬滲流量為6.3×10-5m3/s；當(dāng)水庫(kù)水位為校核蓄水位時(shí)，壩體的滲流曲線呈現(xiàn)下降趨勢(shì)且單寬滲流量為8.1×10-5m3/s。不難發(fā)現(xiàn)，校核工況的單寬滲流量大于正常工況下的單寬滲流量，因此可以說(shuō)明本文對(duì)壩體中心區(qū)域的模擬是符合實(shí)際情況的。

圖3 壩體加固前中心位置處正常庫(kù)水位對(duì)邊坡滲流圖

圖4 壩體加固前中心位置處校核庫(kù)水位對(duì)邊坡滲流圖

圖5和圖6為加固前左壩肩區(qū)域正常蓄水位、校核蓄水位兩種不同工況下浸潤(rùn)線位置圖。由圖5和圖6可知，正常蓄水位時(shí)左壩肩的單寬滲流量為4.6×10-4m3/s，且小于校核蓄水位時(shí)左壩肩的單寬滲流量6.5×10-4m3/s，因此本文對(duì)左壩肩區(qū)域的滲流模擬是符合實(shí)際情況的。

圖5 壩體加固前左側(cè)壩體正常庫(kù)水位對(duì)邊坡滲流圖

圖6 壩體加固前左側(cè)壩體校核庫(kù)水位對(duì)邊坡滲流圖

4.1.2 加固后壩體滲流分析

計(jì)算斷面以上流域地理特征值由1∶5萬(wàn)地形圖量取，流域面積F為430km2，河長(zhǎng)L為38.75km，縱坡J為1.199%。

圖7、圖8為壩體加固后壩體中心區(qū)域正常蓄水位和校核蓄水位兩種工況下的浸潤(rùn)線圖。由圖7和圖8可知，當(dāng)水庫(kù)水位為正常蓄水位時(shí)，對(duì)比加固前的情況可發(fā)現(xiàn)加固后庫(kù)水位對(duì)邊坡滲流高度明顯下降，單寬滲流量為2.9×10-5m3/s；當(dāng)水庫(kù)水位為校核蓄水位時(shí)，由圖8可知壩體單寬滲流量為3.3×10-5m3/s，同樣滿足校核蓄水位工況大于正常蓄水位工況。通過(guò)對(duì)比加固前后兩種工況的單寬滲流量可知，壩體加固后滲流量明顯降低，因此可以說(shuō)明壩體注漿加固后有良好的阻滲防滲效果。

圖7 壩體加固后中心位置處正常庫(kù)水位對(duì)邊坡滲流圖

圖8 壩體加固后中心位置處校核庫(kù)水位對(duì)邊坡滲流圖

左壩肩注漿后，其滲透系數(shù)為 1.24×10-7cm/s，其余數(shù)據(jù)與加固前相同。圖9、圖10為壩體加固后左側(cè)壩體正常庫(kù)水位和校核庫(kù)水位的邊坡滲流圖。與壩體中心區(qū)域加固后的結(jié)論類似，加固后浸潤(rùn)線位置下降，單寬滲流量降低，且正常蓄水位單寬滲流量1.3×10-5m3/s要小于校核蓄水位單寬滲流量1.7×10-5m3/s，因此可以說(shuō)明注漿加固防滲效果良好。

圖9 壩體加固后左側(cè)壩體正常庫(kù)水位對(duì)邊坡滲流圖

圖10 壩體加固后左側(cè)壩體校核庫(kù)水位對(duì)邊坡滲流圖

4.2 穩(wěn)定性分析

本節(jié)就加固前后壩體中心區(qū)域和左壩肩兩個(gè)研究部分在正常庫(kù)水位和校核庫(kù)水位的滑移面和最小安全系數(shù)進(jìn)行了分析。

4.2.1 加固前壩體穩(wěn)定性分析

表5、表6分別為加固前壩體中心區(qū)域和左壩肩不同水位下的最小安全系數(shù)。

表5 壩體加固前中間位置處最小安全系數(shù)表

表6 加固前左壩肩最小安全系數(shù)表

通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)加固前的壩體進(jìn)行穩(wěn)定性分析，可得到壩體中心區(qū)域不同水位條件下的滑移面圖。由圖11、圖12可知，正常庫(kù)水位工況下的危險(xiǎn)滑移面比校核庫(kù)水位更加凸出，且兩種不同工況下的最小安全系數(shù)均高于規(guī)范值1.5。因此，兩者均符合規(guī)范要求，可以進(jìn)一步說(shuō)明本文的模擬是合理的。

圖11 加固前壩中心區(qū)域模擬正常蓄水位滑移面圖

根據(jù)圖13、圖14大壩左壩肩在不同水位下的危險(xiǎn)滑移面曲線圖可以發(fā)現(xiàn)，正常庫(kù)水位工況下的滑移面曲線與校核庫(kù)水位下相比較，正常庫(kù)水位工況下的滑移面曲線更加圓滑，且正常蓄水位時(shí)最小安全系數(shù)大；與壩體中心區(qū)域相同，兩種水位下的最小安全系數(shù)均符合規(guī)范。

圖14 加固前左壩肩區(qū)域模擬校核蓄水位滑移面模型圖

4.2.2 加固后壩體穩(wěn)定性分析

表7、表8分別為加固后壩體中心區(qū)域和左壩肩不同水位下的最小安全系數(shù)。

表7 加固后壩體中心區(qū)域最小安全系數(shù)表

表8 加固完成后左側(cè)壩體最小安全系數(shù)表

通過(guò)計(jì)算分析，可以得到壩體加固后壩體中心區(qū)域和左壩肩在不同水位下的最危險(xiǎn)滑移面曲線圖，見(jiàn)圖15、圖16。由圖15和圖16可知，與正常蓄水位相比，校核蓄水位的滑移面更偏下且滑移面曲線更加圓滑，兩種不同工況下的壩體最小安全系數(shù)分別較加固前有所增大，其中正常蓄水位工況下的最小安全系數(shù)較高，但兩種蓄水位條件下的最小安全系數(shù)均在規(guī)定允許范圍內(nèi)。因此，可以說(shuō)明該水庫(kù)大壩中心區(qū)域的穩(wěn)定性在安全范圍內(nèi)。

圖15 加固后壩體中心區(qū)域正常蓄水位滑移面圖

圖16 加固后壩中心區(qū)域校核蓄水位滑移面圖

圖17、圖18為正常庫(kù)水位和校核庫(kù)水位兩種工況下，左側(cè)壩肩位置處邊坡滑移面和安全系數(shù)圖。由圖17和圖18可知，左壩肩加固前后滑移面有壩體中心區(qū)域類似結(jié)論，兩種不同蓄水位條件下左壩肩的最小安全系數(shù)分別為 1.761和1.729，說(shuō)明加固后左壩肩的安全系數(shù)有所增加。通過(guò)對(duì)比規(guī)范范圍內(nèi)的最小安全系數(shù)可知，左壩肩的最小安全系數(shù)符合規(guī)定，即該壩體左壩肩區(qū)域的安全穩(wěn)定性在安全范圍內(nèi)。

圖17 加固后左側(cè)壩體正常庫(kù)水位滑動(dòng)面模擬圖

圖18 加固后左側(cè)壩體校核庫(kù)水位滑動(dòng)面模擬圖

5 結(jié) 論

本文以浙江某水庫(kù)為工程背景，采用有限元分析方法研究分析了壩體注漿加固前后壩體中心區(qū)域和左壩肩的滲流特征以及邊坡穩(wěn)定性。結(jié)論如下：

1) 對(duì)比注漿前后大壩滲流浸潤(rùn)線發(fā)現(xiàn)，加固后的不同蓄水位工況下的浸潤(rùn)線位置均較加固前有所降低且加固后的壩體單寬滲流量減小，說(shuō)明大壩注漿加固后對(duì)壩體有一定的防滲效果，使壩體的滲流安全性得到提高。

2) 對(duì)比注漿前后大壩不同位置和不同工況下的最危險(xiǎn)滑移面和最小安全系數(shù)發(fā)現(xiàn)，加固后壩體中心區(qū)域和左壩肩的危險(xiǎn)滑移面均向上發(fā)生偏移且最小安全系數(shù)有所增大，說(shuō)明注漿加固后壩體的整體穩(wěn)定性有所提高。