除險加固前后土石壩壩體滲流及壩坡穩(wěn)定性分析

袁旭琦，盧士亮，許 超

(江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司，南京 210029)

1 概 述

土石壩材料結(jié)構(gòu)簡單，受地形和地質(zhì)條件限制程度較低，一直是水庫修建時的主要選擇。隨著現(xiàn)代社會的進步，原先的壩體填筑材料由于質(zhì)量不高，難以滿足當(dāng)前灌溉和防洪等多方面的需求[1-2]。并且受大壩清基不徹底、管理運營不當(dāng)?shù)戎T多因素的影響，部分水庫常年漏水，工作效益不斷下降，對下游居民生產(chǎn)生活構(gòu)成較大威脅。

壩坡穩(wěn)定和滲流在土石壩設(shè)計及管理過程中不可或缺，對土石壩的安全和穩(wěn)定性評估具有重要意義。宋昊等[3]對斜心墻土石壩進行了滲流穩(wěn)定性分析，同時考慮非穩(wěn)定工況和穩(wěn)定工況兩種情況，結(jié)果表明上游降落水位與壩體滲流量呈正相關(guān)關(guān)系。而在實際運用中，目前的方法難以提供有效的參照依據(jù)，甚至與真實情況存在較大偏差。因此，本文以壩體滲特征為切入點，運用有限元法，對其滲流穩(wěn)定性進行計算，以期客觀評價除險加固效果，并為解決類似工程問題提供方法與借鑒。

2 除險加固前后土石壩壩體滲流及壩坡穩(wěn)定性分析

2.1 壩體滲流及壩坡穩(wěn)定分析方法

在土石壩的一般結(jié)構(gòu)中，以散粒體為主。而參照壩基的沙礫可以發(fā)現(xiàn)，其構(gòu)成成分之間均客觀存在著一定空隙。這些空隙使壩體結(jié)構(gòu)具有透水性，從而導(dǎo)致滲流現(xiàn)象的發(fā)生。在庫區(qū)相關(guān)人員的監(jiān)管之下或者由于壩體本身設(shè)計原因出現(xiàn)的滲流，稱作正常情況下的滲流[4-5]?？梢酝ㄟ^以下幾種狀態(tài)進行判斷：①是每個部位都有滲流現(xiàn)象發(fā)生；②是滲流流量不大，水質(zhì)較好，即清亮明澈，其間僅有極少量的土壤顆粒，這種情況下的滲流對壩體和壩基基本不會產(chǎn)生任何損害。但在一些情況下，滲流的水質(zhì)較低，呈現(xiàn)出渾濁狀，滲流流量也較平常更大。同時難以看清水流性狀，水中含有大量泥沙，此時則出現(xiàn)了異常滲流。這種滲流會對壩體和壩基產(chǎn)生極大的不良影響，使其在接觸性沖刷、流土等作用下遭到嚴(yán)重?fù)p害，從而導(dǎo)致土體滲透破壞[6-7]。

一般來說，在孔隙中出現(xiàn)流動液體，其流過的過程即為滲流發(fā)生的過程。在滲流過程中，由于孔隙的三維存在特性，其外形以及尺寸都存在或多或少的差異，導(dǎo)致其復(fù)雜多變，難以真正掌握其運動變化的規(guī)律。在水力坡降與滲流速度之間，存在著一定的難以用一般方法反映的線性關(guān)系。而達西定律能夠計算出滲流場中所有點的滲流速度，因此本研究采用該方法對土石壩出險加固前后進行滲流計算。由于土石壩整體上通常是非飽和狀態(tài)，土-水特征曲線則成為描述這種狀態(tài)的可靠路徑。土-水特征曲線是非線性函數(shù)，反映的是基質(zhì)吸力與含水率之間的函數(shù)關(guān)系。其因土體顆粒和土體含水率等因素的影響發(fā)生改變，能夠真實描述非飽和土體狀況，本研究通過Van Genuchten代理模型與之相貼合。

在進行滲流的求解時，有限元法是目前實現(xiàn)效果最好的方法之一。其能夠進行區(qū)域劃分，通過自身特性將整體的一部分滲流區(qū)域分解為獨立的子區(qū)域。需要說明的是，這些子區(qū)域并不是完全獨立的，而是彼此之間連接的，也是事實上的有限元。單元之間能夠任意結(jié)合，其本身特性具有多變性，因此能夠?qū)π螤钭兓^大的求解域?qū)嵤┠Ｐ突襟E[8-9]。Geo-Studio軟件是實用性較高的有限元軟件，在水利、巖土、地質(zhì)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其包含的Seep/W模塊常被用來處理非飽和滲流問題。Seep/W模塊將目標(biāo)模型劃分為網(wǎng)格，通過有限元數(shù)值模擬實現(xiàn)滲流分析，可以清晰地探察到孔隙壓力分布情況，并由此得到變化規(guī)律。同時，能夠直接定義邊界條件，隨時分析二維流動、不飽和瞬態(tài)滲流，并保證結(jié)果的準(zhǔn)確度始終處于較高的水平。其計算過程見圖1。

而該軟件中的Slope/W模塊，在處理邊坡滑移面及安全系數(shù)方面表現(xiàn)出極好的性能。Slope/W模塊的理論基礎(chǔ)是極限平衡法，其本身擁有豐富的計算分析方法，同時帶有龐大的數(shù)據(jù)庫，可以解決孔隙裂隙之類的所有問題。所以在研究過程中，通過Slope/W模塊處理壩體滲流問題，然后利用其所包括的Seep/W模塊進一步分析除險加固后的穩(wěn)定性。通過輸入實驗過程所需的數(shù)據(jù)，利用該模塊中的模型參數(shù)，對實驗對象進行有限元模擬分析，就能夠以較快的速度獲得與實際情況最為符合的結(jié)果。

圖1 Seep/W模塊計算過程

2.2 工程概況

江蘇省內(nèi)有淮河、沐河等多條重要河流穿過，已建各類規(guī)模水庫900座以上。研究選擇的水庫位于南京市南部地區(qū)，坐落在秦淮河支流上游，總體地勢為北部較低，南部偏高，屬于攔河水庫。該水庫兼具防洪、養(yǎng)殖、供水、灌溉、旅游等多種效益，灌溉面積302.333hm2，正常蓄水位1 881.42m，相應(yīng)庫容為150m3，總庫容300m3。由于長時間的運行，且缺乏較為嚴(yán)密的管理和維護，水庫淤積嚴(yán)重，浸潤線持續(xù)增加、上游無護坡、壩體滲漏等問題逐漸增多。經(jīng)現(xiàn)場考察發(fā)現(xiàn)，壩體填土質(zhì)量較差，在靠近低山丘陵處區(qū)域沒有設(shè)置相應(yīng)的排水溝。壩腳顯現(xiàn)出較多散浸點，排水體已經(jīng)難以搜尋，壩基與壩體滲漏嚴(yán)重，洪水沖刷下的破壞痕跡明顯。在壩頂處，小型沖溝較為常見，填筑質(zhì)量下降，抗洪能力不夠，多次出現(xiàn)險情，對下游地區(qū)的安全造成巨大威脅。面對該水庫現(xiàn)狀，特別是滲流問題，主要通過庫盤區(qū)清淤來維護壩體穩(wěn)定，并將清淤土料用于修補后壩，同時補設(shè)排水體、排水溝。在庫區(qū)上游，采取削坡措施，降低至安全坡比。對于原來無法發(fā)揮作用的排水棱體，首先進行拆除，然后根據(jù)實地環(huán)境進行重建，同時加高壩體，新建混凝土護坡和壩頂蓋面。蓋面材料為泥結(jié)碎石，護坡厚度為0.15m。在護坡下設(shè)置土工膜，并在膜下增加砂礫石墊層20cm。新增槽孔防滲墻，厚度為0.3m。在此次除險加固后，水庫興利庫容達到60×104m3，總庫容達到302.76×104m3，死庫容為80×104m3。

將該水庫最大壩高橫斷面作為計算模型，壩高最大值為18.3m，斷面基礎(chǔ)高程為1 888.3m，上下游坡比均為1:2.5。根據(jù)設(shè)計要求對大壩壩體加固，將壩頂寬度增加至3.8m，下游坡比保持不變，同時上游坡比轉(zhuǎn)換為1:3.5。增加頂寬1.0m的貼坡排水體，其位于下游高程1 890.3m處，根據(jù)3.0m壩基影響深度實施二維有限元計算。由Geo-Studio軟件中的Slope/W、Seep/W模塊開展壩體滲流和壩坡穩(wěn)定性分析。加固后，各分區(qū)材料參數(shù)見表1。

表1 加固后模型分區(qū)參數(shù)

根據(jù)工程的實際要求，各分區(qū)材料參數(shù)會在多種因素的影響下發(fā)生變化，因此不是固定的。將黏聚力變異系數(shù)設(shè)定為0.25，在土石壩加固后，模型三角形單元總數(shù)為2 649個，單元尺寸為1m，節(jié)點1 459個，摩擦角變異系數(shù)設(shè)定為0.15。離散模型見圖2。

圖2 加固后土石壩最大壩高截面離散模型

水庫的土石壩通常是非飽和狀態(tài)，因此需要進行非飽和滲流計算。對于壩體填筑材料的實際滲透系數(shù)來說，其大小與土水特征曲線形狀有直接關(guān)聯(lián)。通過Van Genuchten代理模型，分析壩體非飽和滲流及壩坡穩(wěn)定性，填筑材料的飽和體積含水量設(shè)置為0.045，土水特征曲線的3個擬合參數(shù)為0.6269、2.68和0.6765kPa。水庫的兩個重要函數(shù)關(guān)系曲線見圖3。

圖3 某水庫土體基質(zhì)吸力與水平方向滲透系數(shù)和體積含水量等參數(shù)的函數(shù)關(guān)系

3 除險加固前后壩體滲流及壩坡穩(wěn)定性結(jié)果分析

選擇壩體模型在正常蓄水位(40.5m)、校核洪水位(42.67m)和設(shè)計洪水位(41.43m)時的滲流量、浸潤線和滲透坡降結(jié)果進行對比，3種水位下除險加固后壩體滲流計算結(jié)果見圖4。

圖4 3種水位下壩體滲流情況

由圖4可知，與校核洪水位的壩體浸潤線相比，正常蓄水位和設(shè)計洪水位的浸潤線位置均較低。當(dāng)水位升高時，浸潤線位置也隨之增高，此時上游的滲透壓力也會逐漸增大，滲流現(xiàn)象就會越顯著，下游的出逸點高程隨之上升。3種水位下除險加固后壩體滲流分析結(jié)果統(tǒng)計見表2。

表2 3種不同水位下的滲流統(tǒng)計結(jié)果

由表2可知，滲流速率、溢出坡降和單寬流量的最大值均出現(xiàn)在校核洪水位工況下，表明水位變化與滲流速率、單寬流量的正相關(guān)關(guān)系。即隨著水位的降低，二者值變?。划?dāng)水位上升時，二者值隨之增大。允許坡降的標(biāo)準(zhǔn)為2～10，而正常蓄水位、校核洪水位和設(shè)計洪水位的帷幕坡降分別為3.120 5、3.361 7和3.249 8，允許坡降均為0.15，符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。同時可以看出，壩體的滲流量較小，遠(yuǎn)小于規(guī)范值，滲流狀態(tài)良好。然后統(tǒng)計穩(wěn)態(tài)工況下除險加固前后土石壩的滲流穩(wěn)定結(jié)果，見表3。

表3 穩(wěn)定工況下除險加固前后滲流穩(wěn)定結(jié)果

從表3的滲流穩(wěn)定結(jié)果對比可知，在該水庫除險加固前，3種水位下，上游壩坡的穩(wěn)定安全系數(shù)均在2.5以下，平均值為2.391；除險加固后，上游壩坡的穩(wěn)定安全系數(shù)均超過3，平均值為3.305，上游壩坡的穩(wěn)定性和安全性都有較大提升。在下游壩坡的安全系數(shù)方面，除險加固后與加固前相比，仍有一定的提升。在滲流量方面，3種水位下都有明顯減少，下降量均在2×10-4m3/s以上，滲流情況得到明顯改善。同時表明，除險加固措施取得較大的正面效果，具有較好的適用性。當(dāng)水庫水位突然下降時，則為瞬態(tài)滲流工況，失穩(wěn)概率及安全系數(shù)變化結(jié)果見圖5。

圖5 瞬態(tài)滲流工況下除險加固前后下游壩坡失穩(wěn)概率和上游壩坡安全系數(shù)

通過48h的觀察發(fā)現(xiàn)，壩坡上游水位降至1 881.94m，已達到水庫的死水位。水位下降過程是從正常蓄水位(1 883.8m)開始的。在該工況下，通過簡化Bishop法，得到上游壩坡安全系數(shù)為2.510、下游為1.849。根據(jù)設(shè)計規(guī)范規(guī)定必須小于標(biāo)準(zhǔn)值(1.15)，由此可知所得安全系數(shù)高于標(biāo)準(zhǔn)值。

由圖5(a)可知，加固前后的上游壩坡安全系數(shù)均在一開始有較為顯著的下降，然后以緩慢的速度提升，且折線拐點都出現(xiàn)在10 000s附近。具體來看，盡管二者的趨勢相同，但加固后的結(jié)果一直比加固前更大，最大值為3.2，最小也超過1.6，安全性大幅度增加。在最大值比較方面，加固前后仍然有1.2的差距，說明加固后壩體安全性得到較大提升。

由圖5(b)可知，下游壩坡通過加固措施修正后，失穩(wěn)概率隨水位提升而逐漸下降，這種變化滿足相關(guān)規(guī)范要求。下游壩坡失穩(wěn)概率在10 000s處開始出現(xiàn)顯著下降，然后逐漸保持穩(wěn)定，并降至較低水平。加固后的下游壩坡失穩(wěn)概率始終趨近于0%，且呈一直下降的趨勢。與加固前相比，失穩(wěn)概率降低幅度較大，說明加固后大壩結(jié)構(gòu)安全性能明顯改善，表明該除險加固措施的有效性。

4 結(jié) 論

土石壩滲流及壩坡穩(wěn)定性分析是當(dāng)前維護水庫庫區(qū)安全的重要基礎(chǔ)。本文首先分析了土石壩的土料結(jié)構(gòu)，并將滲流現(xiàn)象作為出發(fā)點探求計算方法。然后運用Geo-Studio軟件中的Slope/W和Seep/W模塊，分析了除險加固前后土石壩的滲流情況以及上下游壩坡的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，在帷幕坡降方面，壩體除險加固后3種水位所得結(jié)果均大于3.1，滲流狀態(tài)良好。加固后的下游壩坡失穩(wěn)概率基本在0%左右波動，符合規(guī)范要求，提高了大壩安全性能，表明除險加固措施能夠有效改善大壩滲流問題，同時也驗證了該方法的有效性。