均質土石壩放水涵洞滲流與穩(wěn)定分析

楊宜梅

（四會市水利水電勘測設計院，廣東 四會 526200）

0 引言

由于土料的防滲功能較為理想，是一種天然的筑壩材料，因而在土石壩施工中應用非常廣泛，但不可忽視的是土料具有的親水性也非常強，對水極為敏感。因此，為了給均質土石壩的穩(wěn)定性提供有力保障，基于對均質土石壩放水涵洞破壞點存在隨機性的考慮，本文引用了有限元軟件，針對放水涵洞各個位置的破壞情況進行了建模分析，以明確可放水涵洞破壞可能給均質土石壩滲流與穩(wěn)定性帶來的影響。

1 均質土石壩放水涵洞

對于引用放水涵洞后置閘門控制的土石壩來講，具有結構簡單、施工成本較低，且施工管理更加便捷等優(yōu)勢特點，但從工程結構合理性這一層面來講，壩后閘門控制方式存在的缺陷也是不容忽視的。主要體現(xiàn)在防水涵洞的運動狀態(tài)會發(fā)生改變，可能會從長期不受水壓的狀態(tài)轉變成長期有壓的狀態(tài)，壓力水頭、庫水位相等。若一直受到水壓力的作用，涵管結構的一些薄弱之處會出現(xiàn)不同程度的疲勞損壞，再加上閘門在啟閉時會產(chǎn)生一定程度的水擊，極易引發(fā)涵管破裂現(xiàn)象。若放水涵洞的某一部分受到破壞，在設計水壓下，這一部位會不斷的向壩體滲水，再加上壩體正常的滲流，會直接影響到壩坡的穩(wěn)定性。對此，本文便引用有限元軟件Seep3D，對放水涵洞在不同位置發(fā)生的破壞情況進行模擬，基于此，對放水涵洞破壞點位置可能給土石壩滲流、穩(wěn)定性帶來的影響進行深入分析[1]。

2 工程實例

某水庫控制流域面積13km2，總庫容368 萬m3，主壩為均質土壩，全長239.0m，壩頂寬5.0m，壩頂高程為79.5m，最大壩高25.1m。大壩上游壩坡為1:3；下游壩坡為1:2.5。水庫上游正常蓄水位76.75m，下游無水。放水洞位于土石壩底部.引用壩后閘門控制。因為使用了較長的時間，其放水涵洞內的涵管出現(xiàn)了不同程度的裂縫，裂縫部位向壩體滲水較為嚴重，再加上土石壩的正常滲流，直接影響到了土石壩的滲流、穩(wěn)定性。

3 建立滲流模型

3.1 建立限元模型

Seep3D 是一款專門圍繞真實三維滲流問題研發(fā)的有限元軟件。通過這一軟件的科學引用，能夠快速完成相應模型的建立，準確定義模型材料屬性、邊界條件。之后，再計算求解，這樣在三維界面就可以實現(xiàn)對等值面、流線等結果的查看。此外，通過剖析模型關鍵部位，引用專業(yè)數(shù)據(jù)處理工作便可以快速、精確的分析得到的結果[2]。

基于防水涵洞涵管的破壞位置存在隨機性，本文在分析中就從放水洞的入水口著手，假設每隔12m 會出現(xiàn)一個與壩軸線方向平行的，長1m、寬3m 的破壞點，建設一共會出現(xiàn)11 個破壞點，分析這時一種工況下土石壩的滲流與穩(wěn)定情況，并將分析結果與放水洞未發(fā)生破壞的情況進行對比分析，以深入了解放水涵洞不同破壞點可能給土石壩滲流、穩(wěn)定帶來的影響。

為了給建模提供一定便捷，盡可能提升計算速度，在保障模擬精度的同時，合理簡化模型，本研究對下游反濾層、上下游護坡可能給滲流帶來的影響忽略不計?；趯嶋H壩長239.0m 的考慮，基于放水洞兩側各18.65m 來進行模型建立。

3.2 選定壩體材料參數(shù)

對于壩體滲流參數(shù)來講，一般都會涉及滲透系數(shù)、容重，還有抗剪強度等一系列物理、力學指標。本文主要是基于工程地質勘察、土工試驗來慎重選擇的參數(shù)。表1 為材料物理力學參數(shù)。

表1 材料物理力學參數(shù)

4 滲流穩(wěn)定分析

首先，對于臨界滲透坡降的計算來講，在具體分析中，應結合現(xiàn)有數(shù)據(jù)，先將壩體允許滲透坡降值計算出來。若滲透力能夠做到對土顆粒之間的粘聚力、內摩擦力的有效克服，土顆粒能夠進入懸浮狀態(tài)時，其滲透比降便可以稱之為臨界滲透坡降[3]。

其次，對于滲流計算來講，在計算中可以明確出現(xiàn)流土的臨界滲透坡降為0.783。結合相關計算公式可以得出滲透坡降計算結果。結合表2、表3、表4 的差值可以明確，破壞點到放水洞入手口的距離若在76.08m 以內，壩體的滲透坡降則在臨界滲透坡降以內，大壩也不會因為滲透而受到破壞或是出現(xiàn)變形，可以為土石壩的穩(wěn)定性提供一定保障。但距離若在76.08m 之上，壩體的滲透坡降便會超過臨界滲透坡降，進而導致土石壩因為滲透而受到不同程度的破壞。且隨著距離的不斷增加，土石壩模型的滲流量也隨之大幅度增加。此外，還要結合實際需求，科學引用土石壩滲漏高精度探測技術，如圖1 所示。

表2 滲流計算結果（一）

表3 滲流計算結果（二）

表4 滲流計算結果（三）

圖1 土石壩滲漏高精度探測技術

5 滲流破壞除險方案

5.1 滲水除險方案

針對一些比較嚴重的有害滲水，可以引用填筑壓實法、放淤固壩法，或者是機械吹填法來適當?shù)募訉拤紊?，或者是做透水后戧。又或者是結合具體情況，在臨水側外邦進行防滲斜墻的增建。還可以以垂直鋪塑等方式來進行垂直防滲。而對于一些不會給壩坡抗滑安全帶來威脅，但卻會沖刷壩坡，破壞流土的滲水，可以引用透水后戧，或者是貼坡反濾等方案來除險[4]。針對壩身滲漏進行處理時需要采取上堵下排方法，針對滲漏出現(xiàn)原因進行分析，做好現(xiàn)場情況分析工作，進而采取有效措施。

（1）斜墻法。斜墻法其實就是在上游出進行加固等處理，實現(xiàn)對原有防滲斜墻的處理。目前斜墻法主要適用于施工質量不高。管涌塌坑等，通過對所使用的材料進行分析，主要包含瀝青混凝土斜墻、土工膜防滲斜墻等。在使用瀝青混凝土斜墻時如果粘土土料不足，且具備適合的瀝青材料時，就可以在上游壩坡使用瀝青混凝土斜墻，在適應壩體變形等的基礎上提升抗震能力。這一技術具有工期短、投資省等特點，并積累了豐富的經(jīng)驗，所以目前瀝青混凝土處理滲漏問題已經(jīng)成為比較常見的技術之一。在使用土工膜防滲斜墻時土工膜材料主要以橡膠、瀝青、塑料為主，如果對土工膜的強度有著嚴格要求時可以使用尼龍布等作為加筋材料，通過一系列處理將其轉變成為復合土工膜。從優(yōu)勢上來講具有重量輕、運輸量較小等特點，在耐腐性方面較強，施工便捷程度高，操作容易，能夠有效節(jié)約工程造價?，F(xiàn)如今土膜材料品種類型有了明顯增加，在運用領域上也在不斷增加。

（2）充填式灌漿法。從優(yōu)勢上來講使用灌漿法時并不需要針對水庫進行放空處理，可以在正常條件下開展施工工作，具有工程量較小，設備與技術要求并不復雜等特點，同時也可以進行就地取材。

（3）防滲墻法。使用防滲墻法時需要使用專業(yè)的機具，針對實際情況完成造孔工作，隨后在孔內增加防滲材料，最后在地基、壩體中形成防滲體，實現(xiàn)防滲目標，如混凝土防滲墻、黏土防滲墻。在使用混凝土防滲墻時需要在土石壩壩軸線方向建造防滲墻，不僅可以將其建設在壩體部分，同時也可以進入基巖下相應深度，達到截斷壩體、壩基滲漏通道的效果。從優(yōu)勢上來講能夠適應比較復雜的地質條件，同時也可以避免對水庫進行放空處理，施工質量監(jiān)控比較便捷，耐久性較強。在黏土防滲墻中則是適用沖抓式打井機具，在防滲體中完成造孔，同時還需要使用黏性土料完成分層回填夯實工作，形成連續(xù)性粘土防滲墻。在進行回填夯實工作時能夠對井壁土層進行擠壓，同時也可以提升周邊土體的密實度，進一步提升壩體質量，實現(xiàn)防滲加固目標。黏土防滲墻法具有機械設備簡單化、施工便捷性、工藝簡單、工程量較小等特點，在防滲效果上也是較強的。

5.2 漏洞和跌窩除險方案

對于漏洞和跌窩來講，一般都是因為生物洞穴而出現(xiàn)的，在汛前通常都難以做到及時發(fā)現(xiàn)，但在汛期這種險情的發(fā)展速度一般都比較快，再加上壩身斷面十分有限，所以帶來的危害也是非常大的，搶險也會遇到諸多困難。所以，為了能夠盡可能做到防患于未然，在汛前要定期巡查、探查漏洞和跌窩，在開挖后，及時的做好回填加固處理，若開挖存在一定難度，可以通過充填灌漿的方式來有效處理。

5.3 集中滲漏除險方案

針對壩身、穿壩建筑物基礎接觸面的集中滲漏，可以在臨水側引用靜壓注漿，或者用高噴注漿的方式來進行垂直防滲處理。又或是在接觸面，引用靜壓注漿的方式來做好處理。若有必要，可以針對透水面來做反濾，以加強保護。對于壩身、建筑物側墻間的集中滲漏，在具體處理過程中可以引用接觸面靜壓注漿的方式來完成。對于新老壩身結合的水平層面出現(xiàn)的集中滲流來講，在具體處理中，可以在臨水側，以開挖回填封堵，或者是接觸面充填灌漿的方式來進行。壩分段建設的結合部位若發(fā)現(xiàn)集中滲流情況，在實際處理中可以結合具體情況，在臨水側截滲，或者是對結合部擠密灌漿等方式來達到除險目的。若存在必要還可以結合實際情況，在背水坡，以反慮保護的方式來達到除險效果。對于具體選擇哪一除險方案，還是要對滲流滲透的計算結果的分析，在保障除險效果的基礎上，從工程管理、經(jīng)濟，還有環(huán)境影響等諸多方面的綜合考慮下，選擇成本較低、更科學有效的方案。

6 結語

綜上所述，通過對均質土石壩放水涵洞滲流與穩(wěn)定分析可以明確，放水涵洞在受到破壞后，會直接影響到大壩，不僅會導致壩體浸潤線太高，下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不斷降低，還會導致壩體內部最大滲透坡降超過臨界滲透坡降，進而導致土石壩出現(xiàn)滲透。因此，為了給水庫大壩的穩(wěn)定運行提供有力保障，在實際運行中一定要密切監(jiān)測，聯(lián)系實際作出全面分析，一旦發(fā)現(xiàn)放水涵洞受到破壞后，要及時采取有效措施進行加固處理。