堤壩防滲透變形加固方案比選研究

宋雪迪

(遼寧省河庫管理服務(wù)中心，遼寧 沈陽 110003)

1 流土加固常用方案及優(yōu)化分析

1.1 土工膜方案

復(fù)合土工膜具有抗變形能力強(qiáng)、抗?jié)B性能優(yōu)異等諸多優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于土石堤壩上游坡面的防滲[1]。在土工膜防滲工程施工過程中，按照《水運(yùn)工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(JTS/T 148—2020)中的相關(guān)要求，需要采用抗老化土工膜或復(fù)合土工膜，其厚度≥1.5 mm，土工膜應(yīng)該固定在堤壩的上游坡面。由于土工膜的厚度相對較小，數(shù)值模擬的過程和方法比較復(fù)雜，為了保證模擬計算精度，研究中利用土工膜等效轉(zhuǎn)化法進(jìn)行研究，也就是滲流量僅和土工膜的厚度和滲透系數(shù)有關(guān)。根據(jù)復(fù)合土工膜防滲工程應(yīng)用理論和工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計壩體(方式1)、壩基(方式2)以及壩體+壩基(方式3)等三種不同的鋪設(shè)方式進(jìn)行計算對比。數(shù)值模擬中采用的土工膜為高密度聚乙烯土工膜，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 土工膜技術(shù)指標(biāo)

利用有限元模擬計算的方法，對不同鋪設(shè)方式下逸出坡降和單寬流量進(jìn)行模擬計算，結(jié)果如表2所示。從計算結(jié)果可以看出，鋪設(shè)方式1和鋪設(shè)方式2的逸出坡降以及單寬流量比較接近，基本處于同一水平。鋪設(shè)方式3與其他兩種鋪設(shè)方式相比，無論是逸出坡降還是單寬流量都顯著減小。因此，在工程應(yīng)用中建議采用鋪設(shè)方式3，也就是壩體+壩基的鋪設(shè)方式。

1.2 戧臺加固方案

如果堤防壩坡的滲水情況比較嚴(yán)重，同時，臨近區(qū)域的砂土等物料較為豐富，場地也便于施工機(jī)具開展工作，可以考慮在下游坡戧筑[2]。在戧筑過程中，其頂部高程一般要高出浸潤線0.5～1.0 m，頂寬2～4 m，長度超過滲水堤段的5～10 m，以便達(dá)到流土破壞的加固目的。在施工過程中應(yīng)該清除地表的雜物，避免施工中的物料被污染，進(jìn)而影響工程效果[3]。為了獲得最佳的設(shè)計方案，研究中擬定戧臺高出堤壩逸出點(diǎn)0.50 m、0.75 m和1.00 m，其頂部寬度2 m、3 m和4 m，戧坡應(yīng)該與堤壩的坡度相同，以便獲得壓滲蓋重效果。按照上述設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計，以獲得使用透水戧臺的最佳除險加固方案。

此次研究中利用Geostudio2018進(jìn)行模型構(gòu)建和流固耦合計算。在計算過程中，按照《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)相關(guān)規(guī)定，砂卵石和含漂石卵礫石滲透變形形式為管涌，允許滲透坡比降值 0.15，計算結(jié)果如表3所示。從計算結(jié)果可以看出，戧臺的高度和寬度參數(shù)均會對堤防的逸出高程和逸出坡降造成比較顯著的影響。從具體的計算結(jié)果來看，試驗(yàn)編號3的逸出坡降值最小，逸出高程也比較接近最低值。因此，在具體工程設(shè)計中選擇戧臺高于逸出點(diǎn)高程0.5 m，頂寬為4.0 m。

表3 不同戧臺設(shè)計方案計算結(jié)果

1.3 瀝青混凝土心墻方案

瀝青混凝土心墻是堤壩防滲的重要工程手段，特別是碾壓式直心墻，具有機(jī)械化施工程度高、技術(shù)成熟、防滲性能好等諸多優(yōu)勢[4]。根據(jù)《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計規(guī)范》(SL 501—2010)中的相關(guān)規(guī)定，防滲結(jié)構(gòu)中的瀝青混凝土心墻的最大厚度一般為壩高的1/60～1/100，最小厚度一般不低于0.3 m。

為了獲得最佳施工設(shè)計方案，研究中結(jié)合規(guī)范SL 501—2010中的相關(guān)要求，確定模擬計算中瀝青混凝土心墻的主要技術(shù)指標(biāo)，結(jié)果如表4所示。

表4 瀝青混凝土心墻技術(shù)指標(biāo)

在使用瀝青混凝土心墻耦合排水棱體防滲方案時，以不發(fā)生滲透破壞這一主要標(biāo)準(zhǔn)為原則進(jìn)行防滲墻設(shè)計[5]。在堤防防滲領(lǐng)域，心墻的設(shè)計深度無疑最為重要，直接影響其防滲效果。在對其進(jìn)行流固耦合施工過程中，利用等效厚度理論從堤身深度穿透到堤基深度為止。在計算過程中，以堤壩高度6 m為標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計6 m、8 m、10 m、12 m、14 m、16 m等6種不同的防滲墻深度值進(jìn)行模擬計算，結(jié)果如表5所示。按照相關(guān)工程設(shè)計規(guī)范，瀝青混凝土心墻和下游壩體逸出段的滲透坡降允許值分別為80和0.15，同時結(jié)合計算結(jié)果，確定14 m的防滲深度。

表5 瀝青混凝土心墻防滲計算結(jié)果

2 不同加固方案對比分析

為了對比上述三種不同流土加固方案的工程效果，試驗(yàn)中結(jié)合堤壩的使用情況，確定三種計算工況。其中，工況1為固定水位工況；工況2為固定水位耦合降雨工況；工況3為水位上升耦合降雨工況。將上述三種不同方案中的最佳設(shè)計應(yīng)用于上述三種工況并進(jìn)行有限元模擬計算，結(jié)果如表6所示。具體來看，在鋪設(shè)土工膜的情況下，堤壩的浸潤線顯著下降，逸出高程降低了2.99～3.12 m，逸出坡降減小30%～70%左右；在設(shè)置透水后戧臺的情況下，堤壩的浸潤線沒有顯著降低，但是阻水面積有明顯的增加，逸出高程降低2.74～2.83 m，逸出坡降明顯降低，不同工況分別降低了93%～98%左右；在瀝青混凝土心墻方案下，堤壩的浸潤線得到有效降低，逸出高程分別降低3.0～3.1 m，逸出坡降分別減少88%～95%左右。從計算結(jié)果來看，設(shè)置透水后戧臺方案可行，其余兩種方案的安全系數(shù)較低，難以保證堤壩的安全。因此，建議在工程設(shè)計中選用設(shè)置透水后戧臺方案。

表6 不同加固方案計算結(jié)果

3 結(jié) 語

在河湖水利工程中，堤防工程的重要性是不言而喻的，對防止水患，保證工程價值的發(fā)揮具有不可或缺的重要意義和價值。對土質(zhì)堤防工程而言，滲透破壞是最重要的破壞形式，會對堤防安全產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。此次研究結(jié)合堤防工程的實(shí)際特點(diǎn)，對流土加固方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計和比選，可以為堤防工程加固處理提供有益的支持和借鑒。此次研究的成果均通過數(shù)值模擬的方式獲得，雖然近年來數(shù)值模擬技術(shù)獲得長足發(fā)展，精度也不斷提高，但是仍不能替代工程實(shí)踐檢驗(yàn)。因此，在今后的研究中，還需要結(jié)合具體工程實(shí)踐研究和優(yōu)化研究成果進(jìn)行綜合分析，以便獲得更為科學(xué)、合理的研究成果。