當(dāng)卡土石壩段滲流及穩(wěn)定性分析

鄭福杰，譚海勁，譚文超，張 宇，白明龍，謝興華

(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2.廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510635；3.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

土石壩滲流控制主要采取的“前堵后排”的方法，常用防滲措施主要分為水平防滲和垂直防滲，水平防滲包括復(fù)合土工膜、黏土鋪蓋等，垂直防滲包括黏土心墻、防滲墻等[1-2]。在透水地基上修建的土石壩或除險(xiǎn)加固工程中，水平鋪蓋是常用的一種防滲措施[3]。蔣雁[4]分析了壩基灌漿和全庫黏土鋪蓋2種防滲方式在源頭井水庫的加固中的應(yīng)用；薛瑾[5]利用Geo-Studio模擬比較了防滲鋪蓋、帷幕灌漿對(duì)老板田水庫的滲流場(chǎng)的影響，并分析其對(duì)壩坡穩(wěn)定性的影響；舒海輝[6]通過有限元分析了水平鋪蓋長(zhǎng)度對(duì)土石壩壩體與壩基內(nèi)部孔隙水壓力分布的影響。其他許多學(xué)者也對(duì)不同防滲措施下土石壩滲流及穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究[7-12]。當(dāng)卡水電站在運(yùn)行過程中，土石壩段下游壩腳有少量滲水，為說明土石壩段滲流安全狀況，本文以當(dāng)卡土石壩段為研究對(duì)象，對(duì)比分析土工膜與上游壩腳截滲槽、土工膜與壤土鋪蓋2種防滲形式對(duì)當(dāng)卡土石壩的滲流穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

玉樹當(dāng)卡水電站位于青海省玉樹州玉樹縣下拉秀鄉(xiāng)當(dāng)卡村子曲河段，電站為Ⅲ等中型工程，樞紐從右至左主要由混凝土壩、河床式電站廠房、溢流壩、泄洪閘及復(fù)合砂礫石壩。水庫正常蓄水位，設(shè)計(jì)、校核洪水位均為3848.00m，死水位3846.00m。

砂礫石壩布置于主河床左側(cè)階地上，全長(zhǎng)313.84m。壩體上游坡1∶2.3，下游坡1∶1.8。壩頂高程3849.00m，防浪墻頂高程3850.20m，壩頂寬8.0m，最大壩高21m。壩體上游壩坡3828.00m以上布置一道復(fù)合土工膜防滲。壩內(nèi)設(shè)置有L型排水體并與下游排水棱體相接，并設(shè)置反濾層，以防止壩體和壩基砂礫料中細(xì)料的流失。河床覆蓋層巖性主要為沖積含漂石砂卵礫石層，下伏基巖巖體以弱透水為主，少量中等透水。土石壩段典型剖面圖如圖1所示。

圖1 當(dāng)卡土石壩典型斷面圖

2 模型與模擬條件

2.1 計(jì)算原理

(1)滲流計(jì)算

本文滲流計(jì)算選取符合達(dá)西定律的不可壓縮各向同性土體的二維空間穩(wěn)定滲流，其滲流域內(nèi)任一點(diǎn)水頭函數(shù)h應(yīng)滿足下述基本方程式：

(1)

式中，h—水頭函數(shù)，h=h(x，y)；k—滲透系數(shù)。定解條件為：

流量邊界：

(2)

水頭邊界：

h|Γ1=h1(x，y)

(3)

式中，Г1—第一類邊界，本文根據(jù)大壩運(yùn)行過程中上下游實(shí)際水位進(jìn)行設(shè)置；Г2—不透水邊界和潛流邊界等第二類邊界，本文壩基兩側(cè)及底部設(shè)為不透水邊界，下游壩坡設(shè)置為潛在滲流面邊界，對(duì)可能的浸潤(rùn)線逸出點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。

(2)壩坡穩(wěn)定性計(jì)算

當(dāng)卡壩址區(qū)地震動(dòng)水平加速度為0.1g，地震基本烈度為Ⅶ度，采用擬靜力法進(jìn)行對(duì)壩坡進(jìn)行抗震穩(wěn)定性復(fù)核。根據(jù)SL 274—2020《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，邊坡穩(wěn)定性分析方法利用極限平衡法中的簡(jiǎn)化畢肖普法計(jì)算，其公式為：

(4)

式中，W—土條重量；V—垂直地震慣性力；u—作用于土條底面的孔隙壓力；α—條塊重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角；b—土條寬度；c′—土條底面的凝聚力；φ′—土條底面的內(nèi)摩擦角；MC—水平地震慣性力對(duì)圓心的力矩；R—圓弧半徑。

2.2 模型設(shè)置

采用二維模型對(duì)當(dāng)卡土石壩進(jìn)行分析計(jì)算，模型邊界沿上游壩腳延伸120m，沿下游壩腳向下游壩腳延伸40m，壩基向下取2倍壩高，模型采用三角形四邊形進(jìn)行剖分，全局單元最大尺寸為0.5m，共劃分為47122個(gè)單元，大壩上游至下游依次為：上游護(hù)坡、復(fù)合土工膜、上游細(xì)砂墊層、L型排水體、砂礫石殼、下游貼坡排水體，壩基自上而下分別為：砂礫石層、弱風(fēng)化基巖；模型計(jì)算斷面如圖2所示。

圖2 當(dāng)卡土石壩有限元模型斷面圖

2.3 計(jì)算工況及參數(shù)

針對(duì)該工程下游壩腳存在滲漏的情況，本文以對(duì)該工程滲透穩(wěn)定進(jìn)行分析，并與其它防滲形式方案采進(jìn)行比較，其中水平壤土鋪蓋采取2種方案：

方案一：土工膜+壤土鋪蓋，其中鋪蓋長(zhǎng)度分別為100、50、0m，鋪蓋厚度分別為1、2、3m，共7中工況

方案二：土工膜+混凝土截滲槽，截滲槽伸入弱風(fēng)化基巖1m。

模型計(jì)算所需的其它壩體分區(qū)的滲透系數(shù)、力學(xué)參數(shù)等根據(jù)地勘資料及設(shè)計(jì)報(bào)告資料進(jìn)行確定，見表1。

表1 壩體材料參數(shù)

根據(jù)SL 274—2020規(guī)定，應(yīng)考慮到大壩在運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的各種不利情況，本文計(jì)算工況根據(jù)根據(jù)電站實(shí)際運(yùn)行情況和設(shè)計(jì)資料進(jìn)行確定，具體設(shè)置見表2。

表2 計(jì)算工況表 單位：m

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 滲流計(jì)算分析

根據(jù)二維有限元滲流計(jì)算得到的部分工況下穩(wěn)定滲流計(jì)算結(jié)果如圖3—6所示。從圖中可以看出，土工膜后的浸潤(rùn)線高程大幅降低，水流流經(jīng)壩體后通過下游排水體流出，復(fù)合土工膜起到了良好的防滲效果，膜后排水體排水效果顯著。僅在壩體上游采取土工膜防滲時(shí)壩基在下游段也承擔(dān)了較高的水壓力；壩基上游壩腳采用壤土鋪蓋防滲時(shí)，總水頭線分布在上游鋪蓋范圍內(nèi)，且鋪蓋水平長(zhǎng)度越長(zhǎng)，總水頭線分布越稀疏，壩體下游承擔(dān)的水頭壓力較小。不同方案、不同工況下大壩滲流計(jì)算結(jié)果見表3，材料的臨界坡降根據(jù)設(shè)計(jì)資料選取。由計(jì)算結(jié)果可以看出，不對(duì)壩基采取防滲措施時(shí)，壩基滲透坡降達(dá)到了1.07，超出了臨界坡降，滲漏量達(dá)到了1.72×10-3m3/s，壩基會(huì)發(fā)生滲透破壞；采取壤土鋪蓋工況時(shí)，大壩滲漏量、壩基滲透坡降及壩體浸潤(rùn)線出逸處的坡降均隨壤土鋪蓋長(zhǎng)度和厚度的增大而減?。坏黜?xiàng)計(jì)算指標(biāo)仍比截滲槽工況下的計(jì)算值大。計(jì)算結(jié)果表明，采取復(fù)合土工膜與截滲槽的聯(lián)合防滲方式效果最好，砂礫石壩基坡降為0.006，浸潤(rùn)線出逸處坡降為0.003，大壩單寬滲漏量為1.83×10-5m3/s，能夠滿足滲流安全。

表3 壩體滲流計(jì)算結(jié)果表

圖3 工況3總水頭等值線及浸潤(rùn)線圖

圖4 工況6總水頭等值線及浸潤(rùn)線圖

圖5 工況7總水頭等值線及浸潤(rùn)線圖

圖6 工況8總水頭等值線及浸潤(rùn)線圖

3.2 壩坡穩(wěn)定分析

以工程實(shí)際防滲措施和前文分析的滲流結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)土工膜+截滲墻防滲形式下的大壩壩坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。如圖7—10所示為土石壩在3種水位及地震工況下的危險(xiǎn)滑弧位置及最小安全系數(shù)圖，正常水位壩坡最小安全系數(shù)為1.41>[Fs]=1.35；校核水位工況壩坡安全系數(shù)分別為1.39>[Fs]=1.20；正常水位運(yùn)行偶遇地震工況壩坡最小安全系數(shù)為1.23>[Fs]=1.15，大壩計(jì)算斷面在以上各種工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)，滿足安全要求。

圖7 正常蓄水位上下游壩坡最危險(xiǎn)滑弧及安全系數(shù)

圖8 設(shè)計(jì)洪水位上下游壩坡最危險(xiǎn)滑弧及安全系數(shù)

圖9 校核洪水位上下游壩坡最危險(xiǎn)滑弧及安全系數(shù)

圖10 正常蓄水位遇地震上下游壩坡最危險(xiǎn)滑弧及安全系數(shù)

4 結(jié)論

本文針對(duì)當(dāng)卡土石壩段下游壩腳附近少量滲水的現(xiàn)象，對(duì)其滲流穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，并進(jìn)一步分析了不同水位工況下的壩坡穩(wěn)定性，得出以下結(jié)論。

(1)復(fù)合土工膜和截滲槽的防滲效果良好，砂礫石壩殼內(nèi)浸潤(rùn)線位置低，出逸點(diǎn)在下游貼坡排水體內(nèi)，出逸坡降均小于壩體材料的允許坡降，壩體滲漏量較小，下游壩腳雖有少量滲水但滲水清澈且已正常運(yùn)行多年，不會(huì)危及大壩安全。

(2)在正常、設(shè)計(jì)、校核水位及地震工況下，大壩上下游壩坡安全系數(shù)均大于規(guī)范值，壩坡穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。