基于有限元分析的土石壩防滲加固效果研究

陳建華

(江西省玉山縣七一灌區(qū)水資源保護(hù)中心,江西 玉山 334700)

0 引 言

隨著自然環(huán)境的變化、管理方面的不足以及災(zāi)害的發(fā)生,導(dǎo)致我國(guó)部分水庫受到破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì),國(guó)內(nèi)病險(xiǎn)水庫近百座,而水庫一旦出現(xiàn)破壞,會(huì)對(duì)附近居民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重的損害,所以對(duì)水庫的加固修復(fù)工作迫在眉睫[1-3]。其中,滲流是導(dǎo)致水庫破壞的主要因素。滲流運(yùn)動(dòng)會(huì)形成滲透壓力和負(fù)孔隙水壓,極易造成壩坡滑移、流沙、管涌等現(xiàn)象,嚴(yán)重影響大壩的安全性和穩(wěn)定性。

滲流對(duì)大壩整體穩(wěn)定十分關(guān)鍵,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將滲流的影響考慮在內(nèi),許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了分析和研究[4-5]。侯恩傳等[6]通過有限元,分析了沖抓套井回填技術(shù)加固大壩前后壩體的滲流變化情況,給大壩加固方案的優(yōu)化提供了思路。李卓等[7]分析了降雨對(duì)土石壩滲流及其穩(wěn)定性的影響,揭示了壩坡安全系數(shù)和滲透比降、孔隙水壓的關(guān)系。

基于此,為了評(píng)價(jià)振動(dòng)射沖成槽防滲墻對(duì)大壩的防滲效果,本文通過有限元模擬計(jì)算分析防滲墻各參數(shù)對(duì)其防滲效果的影響,研究成果可為相關(guān)工程提供參考和借鑒。

1 研究區(qū)概況

某水庫蓄水面積11.15km2,水庫的設(shè)計(jì)庫容5 000×104m3。水庫類型為湖泊式平原水庫,主要功能包括保障居民用水、供給附近區(qū)域工業(yè)生產(chǎn)用水、農(nóng)業(yè)灌溉等。工程建于1990年,分期建造完成。1994年11月,開始施工一期水力沖填筑壩,筑壩高度2m;1998年11月,一期工程完工,初步進(jìn)行低水位運(yùn)行;2002年,二期工程完成,水庫正式開始使用。之后水庫于2008年停止使用,當(dāng)作備用水庫。2018年,當(dāng)?shù)赜盟坎粩嗵岣?當(dāng)?shù)夭块T決定將水庫重新投入使用,同時(shí)分析了水庫恢復(fù)使用可行性。水庫壩基土層類型見表1。

表1 各層土體類型

此外,水庫由于長(zhǎng)期停用,圍壩防滲出現(xiàn)破壞、漏滲等現(xiàn)象,壩基壩體土體滲透系數(shù)均超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),不滿足使用標(biāo)準(zhǔn)。因此,水庫恢復(fù)使用前必須對(duì)圍壩采取加固防滲措施,通過方案對(duì)比分析,采用振動(dòng)射沖成槽防滲墻來加固圍壩。

2 有限元分析防滲加固效果

2.1 模型建立

在建立模型時(shí),因?yàn)橹粚?duì)滲流因素進(jìn)行考慮,土體選擇彈性模型,對(duì)全部節(jié)點(diǎn)的位移自由度進(jìn)行約束。計(jì)算時(shí),節(jié)點(diǎn)數(shù)和有限元網(wǎng)格數(shù)分別為2 821個(gè)和2 670個(gè),選擇CPE4P作為單元類型。

2.2 防滲效果受防滲墻偏離壩軸線位置的影響

為了評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)中東壩斷面防滲墻所處位置是否正確合理,改變防滲墻位置,再次和工況1(防滲墻和壩軸線重合,也是設(shè)計(jì)位置)進(jìn)行對(duì)比分析,調(diào)整位置依次為壩軸線上游(工況2)、下游偏位1m(工況3)。將無防滲墻工況(工況4)和以上3種防滲墻工況進(jìn)行比較,具體結(jié)果見表2。

表2 各工況圍壩滲流情況

從表2能夠看出,工況3中防滲墻消耗水頭、墻內(nèi)比降和墻底水平坡降均大于其他工況。當(dāng)防滲墻位置和上游水位距離越來越遠(yuǎn)時(shí),工況1-工況3對(duì)滲流的影響均表現(xiàn)為線性相關(guān)。工況1的單寬流量最低,與工況4相比,單寬流量下降約16%,工況3和工況2分別下降12%和13%。因?yàn)榕c單寬滲流量相比,墻內(nèi)比降、消耗總水頭的百分比以及墻底比降造成的影響較小,因此工況1壩軸線和防滲墻相重合較為實(shí)用,也證明了該方案的合理性。

2.3 防滲效果受防滲墻寬度的影響

為了研究防滲墻寬度對(duì)防滲性能的影響,對(duì)整個(gè)壩基壩體在不同防滲墻寬度時(shí)的消耗水頭占比、墻內(nèi)比降、滲流量以及墻底水平坡降的變化情況進(jìn)行分析。設(shè)置4種防滲墻的寬度,依次為0.6、0.4、0.2m以及無防滲墻(0m)。見表3。

表3 各防滲墻寬度滲流情況

從表3結(jié)果能夠得出,當(dāng)防滲墻寬度越來越大時(shí),消耗水頭值、墻內(nèi)比降、滲流量以及墻底水平坡降的變化趨勢(shì)均表現(xiàn)為線性。雖然單寬滲流量有所降低,但降低幅度較小,僅降低3%和5.6%,沒有體現(xiàn)出較好的防滲效果。造成此現(xiàn)象是因?yàn)榉罎B墻出現(xiàn)滲流時(shí),墻體減小了水流流速,提高了阻力,當(dāng)增加防滲墻寬度時(shí),墻內(nèi)徑流增長(zhǎng),在一定程度上提高了工程成本和施工難度,還沒有達(dá)到預(yù)期的防滲效果。因此,不能單純地以提高防滲墻厚度的方式來增強(qiáng)防滲效果,要在規(guī)定的防滲標(biāo)準(zhǔn)下,合理制定防滲墻的厚度。通過對(duì)比,防滲墻厚度為0.2m時(shí)效果較好,也最經(jīng)濟(jì)。

2.4 防滲加固效果受防滲墻滲透系數(shù)的影響

因?yàn)槭┕がF(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、條件多變以及工人素質(zhì)的高低不一,防滲墻的施工質(zhì)量通常低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),常常出現(xiàn)薄弱層、空洞等問題,這就使防滲墻滲透系數(shù)大于設(shè)計(jì)值,無形中降低了防滲標(biāo)準(zhǔn)。

為了分析防滲加固效果受防滲墻滲透系數(shù)的影響規(guī)律,確定防滲加固中防滲墻滲透系數(shù)的重要程度,擬定防滲墻滲透系數(shù)kh依次為10×10-6cm/s、設(shè)計(jì)值(5×10-6cm/s)以及0(不透水情況)。各滲透系數(shù)下的相關(guān)數(shù)據(jù)見表4。從表4中能夠得出,防滲墻不透水時(shí)消耗了總水頭的81.7%,基本上將水全部攔截在上游側(cè)。水在流經(jīng)上部防滲墻時(shí),因?yàn)榉罎B墻基本不透水,且壩體上部土基質(zhì)吸力的存在,導(dǎo)致水在流至防滲墻時(shí)順著防滲墻朝上部移動(dòng);在水流至防滲墻底部時(shí),同樣因?yàn)榉罎B墻基本不透水,導(dǎo)致水從防滲墻底部繞流而過,并且于下游壩基中再次出現(xiàn)滲流,從而導(dǎo)致在集滲溝部位溢出。

表4 各滲透系數(shù)滲流情況

從表4數(shù)據(jù)中可知,在防滲墻基本不透水時(shí),其允許坡降(6.3)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于墻內(nèi)比降(16.34),但是局部孔隙水壓力和墻內(nèi)比降較高,會(huì)在一定程度上縮短防滲墻的耐久性,不利于防滲墻的安全和穩(wěn)定。從大壩的安全性考慮,盡管滲流量?jī)H達(dá)到設(shè)計(jì)值的75%,但仍無法成為方案選擇的主要目的。

各工況防滲墻下游水頭值和滲透系數(shù)間的關(guān)系見圖1。從圖1中能夠得出,兩者基本表現(xiàn)為線性負(fù)相關(guān),防滲墻防滲性能的優(yōu)劣受到其滲透系數(shù)的直接影響。此現(xiàn)象是因?yàn)樵跐B透系數(shù)降低時(shí),土中水的流動(dòng)性逐漸變差,流速逐漸減小,防滲墻降水進(jìn)行阻攔,使其不能流進(jìn)下游土體中,從而降低了下游水頭,最終達(dá)到防滲目的。在防滲墻基本不透水時(shí),滲流量為無防滲墻的64.7%,因此一味地降低防滲系數(shù)并不能起到很好的防滲效果。同時(shí)能夠發(fā)現(xiàn),滲流量在滲透系數(shù)從設(shè)計(jì)值提高至兩倍時(shí)僅增大13%。由此能夠看出,滲透系數(shù)的持續(xù)減小和增大并不會(huì)對(duì)滲流量造成較大的影響,滲流量基本會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)固定值。

圖1 防滲墻各滲透系數(shù)下的下游水頭變化趨勢(shì)

2.5 防滲墻防滲加固效果受其埋入土層深度的影響

為了研究防滲墻防滲加固效果受其埋入土層深度的影響,對(duì)其埋進(jìn)混合土(粉質(zhì)黏土和粉土)、粉土以及粉質(zhì)黏土的防滲效果進(jìn)行分析。防滲墻設(shè)計(jì)長(zhǎng)度11m,不改變墻頂標(biāo)高,參考土層厚度,設(shè)定防滲墻長(zhǎng)度依次為0、6.4m。根據(jù)埋入土層的不同,并保持墻頂標(biāo)高不變,防滲墻的長(zhǎng)度分別為11m(③層)、9.6m(②層)、6.4m(①-3層)以及0m(不設(shè)防滲墻)。經(jīng)過計(jì)算得出的防滲墻下游側(cè)水頭曲線在各墻長(zhǎng)下的變化趨勢(shì),見圖2。

圖2 各防滲墻長(zhǎng)度下的總水頭曲線

從圖2能夠得出,總水頭曲線隨著防滲墻墻長(zhǎng)的提高而減小,但減小幅度較小。隨著入土深度的提高、防滲墻墻長(zhǎng)的增大,壩基內(nèi)有粉質(zhì)黏土層,而此類土滲透系數(shù)較低,故減小了滲透性,導(dǎo)致水流變向,增大了水流的流經(jīng)長(zhǎng)度。在防滲墻伸進(jìn)粉土層時(shí),此類土曾滲透性較強(qiáng),但總水頭線并未出現(xiàn)快速增大,這是因?yàn)榉弁翆釉诜罎B墻上部,不論進(jìn)入到哪類土層中,防滲墻對(duì)水流能夠起到很好的阻攔作用,使總水頭線并未出現(xiàn)較大變化。在實(shí)際工程中,為了防止壩基壩體部分區(qū)域發(fā)生管涌現(xiàn)象而破壞壩體,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格規(guī)定墻底坡降和墻內(nèi)比降的標(biāo)準(zhǔn),并有明確的要求。因此,在制定防滲墻入土深度時(shí),綜合考慮墻土接觸面、墻體的穩(wěn)定性,把防滲墻深度設(shè)為超過滲透系數(shù)較大的粉土層,伸入滲透系數(shù)較小的粉質(zhì)黏土層,以保證整個(gè)壩基和壩體的穩(wěn)定性和安全性。

不同工況壩基壩體滲流量變化見圖3。從圖3中能夠看出,防滲墻入土深度越大,滲流量并未發(fā)生較大波動(dòng),滲流量在墻體入土深度從6.6m提高至9.8m時(shí),僅增增大,1.3%。由此可見,增大墻體埋入深度能夠提高防身效果,但十分有限,性價(jià)比不高。

圖3 各防滲墻長(zhǎng)度下的滲流量

3 結(jié) 論

通過有限元模擬計(jì)算分析了不同因素對(duì)大壩防滲墻防滲效果的影響,結(jié)論如下:

1)壩體防滲效果會(huì)受到防滲墻位置的影響,其位置和壩軸線重合時(shí)最為實(shí)用與合理;不能單純地以提高防滲墻厚度的方式來增強(qiáng)防滲效果,要在規(guī)定的防滲標(biāo)準(zhǔn)下,合理制定防滲墻的厚度。通過對(duì)比,防滲墻厚度為0.2m時(shí)效果較好,也最經(jīng)濟(jì)。

2)防滲墻防滲性能的優(yōu)劣受到其滲透系數(shù)的直接影響,滲流量隨著防滲墻滲透系數(shù)的提高而提高,兩者表現(xiàn)為線性正相關(guān)關(guān)系。在防滲墻基本不透水時(shí),滲流量為無防滲墻的63%。因此,一味地降低防滲系數(shù)并不能起到很好的防滲效果。

3)總水頭曲線隨著防滲墻墻長(zhǎng)的提高而減小,但減小幅度較小;在設(shè)計(jì)防滲墻入土深度時(shí),綜合考慮墻土接觸面、墻體的穩(wěn)定性,把防滲墻深度設(shè)為超過滲透系數(shù)較大的粉土層,伸入滲透系數(shù)較小的粉質(zhì)黏土層,以保證整個(gè)壩基和壩體的穩(wěn)定性和安全性。