縱向增強(qiáng)體土石壩壩體穩(wěn)定計(jì)算創(chuàng)新理論芻議

陳立寶，顧程浩，李時(shí)春，高光旭

(1.四川大學(xué)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610065；2.四川岷嘉工程管理有限公司，四川 成都 610065；3.四川騰越順和項(xiàng)目管理有限公司，四川 綿陽 621000)

土石壩的技術(shù)發(fā)展伴隨著巖土力學(xué)理論的不斷完善和施工技術(shù)的不斷提高，從壩型到壩高都取得了長足的進(jìn)展。300m級(jí)的高土石壩筑壩獲得了巨大的技術(shù)攻關(guān)，在建的雙江口水電站大壩為礫石土心墻堆石壩，壩高315m；已建的糯扎渡水電站大壩，壩高261.5m；水布埡水電站大壩為混凝土面板堆石壩，壩高233.2m，猴子巖水電站大壩，壩高223.5m。壩型從傳統(tǒng)的黏土心墻壩，混凝土面板堆石壩到膠凝材料壩和縱向增強(qiáng)體土石壩等，深化了已有理論和實(shí)踐，推動(dòng)了最優(yōu)土石壩壩型的穩(wěn)步發(fā)展。水庫除險(xiǎn)加固工作也取得了顯著效果，全國水利系統(tǒng)共加固病險(xiǎn)水庫(絕大部分為土石壩)6萬余座[1]，除險(xiǎn)加固后，水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)和工程安全狀況基本滿足規(guī)范要求，水庫防洪、供水、灌溉等功能得到恢復(fù)，水庫壩體自身安全及下游地區(qū)防洪風(fēng)險(xiǎn)大大降低。但是近年來，隨著極端天氣的頻發(fā)，中小型水庫漫頂、潰壩事故也時(shí)有發(fā)生。2021年呼和浩特市永安水庫和新發(fā)水庫相繼發(fā)生潰壩，7.20鄭州特大暴雨導(dǎo)致郭家咀水庫發(fā)生漫頂。據(jù)統(tǒng)計(jì)，因超標(biāo)洪水導(dǎo)致的漫頂潰壩占全部漫頂潰壩比例的95.74%[2]，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，影響水庫大壩安全的影響因素增多，需對(duì)水庫大壩防御安全風(fēng)險(xiǎn)和提質(zhì)增效開展深入研究。

1 縱向增強(qiáng)體土石壩壩型

為了健全完善土石壩建設(shè)理論技術(shù)體系，有效解決土石壩滲漏、滑坡、漫頂?shù)葐栴}，四川省水利廳原總工程師梁軍教高提出了縱向增強(qiáng)體心墻土石壩[3]新壩型(以下簡稱“增強(qiáng)體土石壩”)。該壩型采用“剛?cè)嵯酀?jì)”的建壩思路，充分吸收土石壩與重力壩的優(yōu)點(diǎn)，使壩體體型達(dá)到最優(yōu)。所謂增強(qiáng)體是指采用鋼筋混凝土或鋼管混凝土所形成的剛性材料；所謂縱向是延壩軸線方向布設(shè)心墻。增強(qiáng)體在土石壩體中首先滿足防滲要求，降低土石壩浸潤線，滲流穩(wěn)定滿足規(guī)范要求；其次滿足結(jié)構(gòu)性的要求，具有承重受力，抵抗變形的特點(diǎn)；最后在遭遇較大或超標(biāo)洪水出現(xiàn)漫頂時(shí)，滿足“漫頂不潰”或“延時(shí)緩潰”的效果。該壩型的地方標(biāo)準(zhǔn)DBJ51/T 195—2022《四川省縱向增強(qiáng)體心墻土石壩技術(shù)規(guī)程》已通過四川省住建廳審批，于2022年7月實(shí)施。該規(guī)程也填補(bǔ)了傳統(tǒng)防滲墻只有施工規(guī)范，沒有理論依據(jù)的空白。

增強(qiáng)體土石壩壩體設(shè)計(jì)分區(qū)較常規(guī)碾壓式土石壩分區(qū)簡單，一般分為4個(gè)區(qū)：防滲體、過渡層、壩殼、護(hù)坡等區(qū)，軟巖壩殼料增加排水體，如圖1所示。增強(qiáng)體土石壩施工工序按照“先筑壩、后做墻、再灌漿”進(jìn)行。壩體施工遵循常規(guī)的全斷面分區(qū)分層碾壓填筑施工，壩殼填筑完成后，在壩頂(增強(qiáng)體施工平臺(tái))進(jìn)行增強(qiáng)體心墻開槽施工。槽孔分序間隔實(shí)施，孔內(nèi)下設(shè)鋼桁架或鋼筋籠，并將預(yù)埋灌漿管固定其上。槽孔內(nèi)混凝土澆筑完成達(dá)到齡期后，可進(jìn)行基礎(chǔ)帷幕灌漿。增強(qiáng)體土石壩施工工序和工期要大大優(yōu)于傳統(tǒng)黏土心墻壩和瀝青混凝土心墻壩，幾乎不受雨季、低溫等自然氣候的影響，與面板堆石壩施工工期持平。但是又沒有面板養(yǎng)護(hù)、預(yù)防開裂的困擾，養(yǎng)護(hù)成本低。

圖1 壩體斷面簡圖

增強(qiáng)體土石壩最大的特點(diǎn)是心墻是受力體，可以有效降低洪水漫頂導(dǎo)致土石壩潰壩的風(fēng)險(xiǎn)[4]，并且延長潰決發(fā)生的時(shí)間，為下游安全轉(zhuǎn)移，提供寶貴的時(shí)間余量。除了新建大壩，增強(qiáng)體土石壩也廣泛適用于病險(xiǎn)水庫整治和堰塞體治理項(xiàng)目。剛性心墻可以有效防滲，杜絕下游白蟻危害；提供側(cè)向約束，減少壩體滑坡的發(fā)生。該壩型在大竹河水庫滲漏處理、方田壩、馬頭山水庫改擴(kuò)建，倉庫灣、白松、匯田河水庫新建、竹子坎、化成水庫除險(xiǎn)加固、紅石巖水電站牛欄山堰塞體加固等多個(gè)項(xiàng)目中已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用[5-9]。

2 傳統(tǒng)土石壩穩(wěn)定計(jì)算

2.1 滲流計(jì)算

傳統(tǒng)土石壩設(shè)計(jì)的理念為“上防下排”，上游主要為防滲體系，減少滲流量，降低滲透比降；下游主要為排水體系，盡快消散滲流量，降低浸潤線。土石壩滲流為無壓滲流，有浸潤面可按照穩(wěn)定滲流采用達(dá)西定律來計(jì)算。土石壩的滲流研究主要需了解水流特性和土體特性[10]。滲流計(jì)算方法早期主要是流體力學(xué)解析法、水力學(xué)法、圖解法等近似計(jì)算方法及室內(nèi)的模型或模擬試驗(yàn)分析方法。隨著計(jì)算機(jī)及有限元的發(fā)展，數(shù)值方法在滲流分析中也得到了廣泛應(yīng)用。

土石壩的發(fā)展是建立在滲流理論和防滲技術(shù)的不斷提高的基礎(chǔ)上的。滲流破壞得以防止，高土石壩就有條件向前發(fā)展。大壩計(jì)算中，不能簡單的用滲透系數(shù)一個(gè)指標(biāo)來判斷壩體的滲流穩(wěn)定，對(duì)于薄弱區(qū)域應(yīng)進(jìn)行具體的分析和研究。簡單地將符合規(guī)范的計(jì)算結(jié)果作為大壩安全的依據(jù)或保證有待斟酌[11]，尤其是對(duì)于病險(xiǎn)水庫，在壩體加固整治前，應(yīng)結(jié)合壩體水文地質(zhì)條件和大壩安全監(jiān)測(cè)資料，綜合分析找出壩體或壩基滲流問題的根源，再采取行之有效的整治措施。但是傳統(tǒng)土石壩受壩體的流變影響，浸潤線會(huì)逐漸變高，產(chǎn)生濕化變形，壩體強(qiáng)度逐漸降低，逐步衍生出滲漏、滑坡、白蟻危害等病害。

因此滲流穩(wěn)定分析對(duì)于高壩而言，土石壩心墻易形成水平裂縫，產(chǎn)生滲透破壞，研究如何自愈就是一個(gè)主要課題；面板壩滲流控制重點(diǎn)是面板的止水結(jié)構(gòu)安全[12]。對(duì)于中低壩，如何有效降低浸潤線，優(yōu)化壩體結(jié)構(gòu)，并在相對(duì)基數(shù)龐大的施工隊(duì)伍中安全，快速，有序的實(shí)施項(xiàng)目是主要的矛盾。針對(duì)病險(xiǎn)水庫滲漏現(xiàn)象，如何準(zhǔn)確的尋找“病因”，并提出“根治”措施目前還是一個(gè)難題。

2.2 穩(wěn)定計(jì)算

土壩邊坡穩(wěn)定分析方法已有很多種，目前主要分為兩類，即以極限平衡理論為基礎(chǔ)的條分法和以彈塑性理論為基礎(chǔ)的數(shù)值計(jì)算方法。條分法是目前土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的主要計(jì)算方法，其優(yōu)點(diǎn)在于力學(xué)概念明確，簡單實(shí)用，同時(shí)在長期工程應(yīng)用中積累了大量的經(jīng)驗(yàn)；它的缺點(diǎn)在于沒有考慮土體自身的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和實(shí)際工作狀態(tài)，所求出土條之間的內(nèi)力或土條底部的反力均不能代表邊坡在實(shí)際工作條件下真正的內(nèi)力和反力，因此存在著“先天的不足”。而以有限元法為代表的各種數(shù)值算法卻恰恰能夠彌補(bǔ)這種不足，它的突出優(yōu)點(diǎn)在于適于處理非線性、非均質(zhì)和復(fù)雜邊界等問題，因此能夠較好解決土體自身的應(yīng)力變形問題。但各種數(shù)值算法有個(gè)重要的缺陷，即在現(xiàn)有規(guī)范中，土壩安全系數(shù)的判定依據(jù)是根據(jù)極限平衡理論來建立的，而如何將數(shù)值算法計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)有規(guī)范中的判據(jù)接軌以指導(dǎo)工程實(shí)踐，則是個(gè)很重要的問題[13]。

3 縱向增強(qiáng)體土石壩穩(wěn)定計(jì)算

縱向增強(qiáng)體心墻將壩體分為了上下游兩部分，由于混凝土防滲材料的滲透系數(shù)一般為A×(10-8～10-9)cm/s，壩體與心墻體滲透系數(shù)的巨大差異，導(dǎo)致心墻體上下游浸潤線存在巨大落差，該壩體可不考慮滲流影響。增強(qiáng)體同時(shí)受到上下游水土壓力作用，在壩體中起到雙向擋土墻的作用，可采用擋土墻理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定復(fù)核。引入受力安全系數(shù)理論，其值為被動(dòng)土壓力與主動(dòng)土壓力之比，基本工況為竣工期、正常蓄水期和水位驟降期。該理論以心墻的受力來判定壩體的安全，結(jié)構(gòu)核心全在于剛性心墻。

壩體運(yùn)行過程中，受到水土兩種完全不同的荷載作用，水荷載對(duì)土體材料產(chǎn)生細(xì)觀～微觀層面的侵蝕、軟化、濕化、崩積等耦合作用，因此在計(jì)算相應(yīng)受力分析時(shí)，應(yīng)考慮水土耦合作用[14]。

與常規(guī)土石壩相比壩體流變對(duì)下游影響較小，浸潤線不會(huì)提高，壩料的流變劣化，對(duì)心墻的影響不大，壩體被分隔成兩個(gè)獨(dú)立區(qū)域，上下游流變的耦合性被降低，壩體沉降量得到有效控制，縱向變形也受到增強(qiáng)體心墻的反向拖曳限制。

從結(jié)構(gòu)性來說，壩體中部置入剛性體，增加了側(cè)限，減少壩體的沉降值，對(duì)土體基礎(chǔ)和側(cè)面形成兩側(cè)的約束。壩體只有一個(gè)自由面，安全系數(shù)將大為提高。增強(qiáng)體上游的主動(dòng)土壓力與下游的被動(dòng)土壓力形成受力平衡，受力特性與抗力特性相一致，均為梯形荷載，并且被動(dòng)土壓力受主動(dòng)土壓力激發(fā)，形成等效增強(qiáng)的效果[15]。墻體與兩側(cè)壩料的接觸摩擦，由于泥皮的影響，受力較小，拉壓應(yīng)力都不大。

對(duì)于縱向增強(qiáng)體可以用受力安全系數(shù)法來確定壩坡穩(wěn)定，以達(dá)到最優(yōu)土石壩的設(shè)計(jì)。根據(jù)邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的定義思路，定義增強(qiáng)體心墻受力安全系數(shù)S為其所受被動(dòng)土壓力與主動(dòng)土壓力之比即：

(1)

式中，S—受力安全系數(shù)；Pp—被動(dòng)土壓力，kN；Pa—主動(dòng)土壓力，kN。Fs—邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。

表1 縱向增強(qiáng)體土石壩墻體允許受力安全系數(shù)

根據(jù)受力安全系數(shù)法，可以直接采用土壓力計(jì)算，來評(píng)價(jià)壩體的安全穩(wěn)定性，從一定方面簡化了結(jié)構(gòu)計(jì)算過程。

4 對(duì)比分析

對(duì)比傳統(tǒng)土石壩與縱向增強(qiáng)體土石壩在結(jié)構(gòu)以及受力上的不同，可以看出增強(qiáng)體土石壩改變了傳統(tǒng)土石壩的“柔性”，增加剛度，并且“分隔”壩體。在結(jié)構(gòu)性上，粘土心墻上游驟降時(shí)，心墻的水位降落較慢，在一定程度上抬高了浸潤線，使上游壩體，較長時(shí)間的處于飽和狀態(tài)。增強(qiáng)體心墻，上游壩料具有“均一性”水位可以相對(duì)較快的排出，降低浸潤線，更利于壩體的穩(wěn)定。

壩體分區(qū)的不同，可以用主動(dòng)/被動(dòng)土壓力來平衡變形協(xié)調(diào)的問題。可以進(jìn)一步使壩體變瘦，節(jié)省了材料和投資，提高了施工進(jìn)度。增強(qiáng)體心墻的剛?cè)嵯酀?jì)與傳統(tǒng)的剛?cè)嵯嘟徊煌?，這是一個(gè)面，而且是后期“嵌入”的面，兩個(gè)結(jié)構(gòu)雖然彈性模量相差很大，但是并不會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中或變形不協(xié)調(diào)影響受力問題，由于墻體后期置入，不存在回填不密實(shí)，局部架空骨料的問題。

從計(jì)算原理上來說，傳統(tǒng)土石壩以自重維持穩(wěn)定，以材料抵抗?jié)B漏，滑弧會(huì)穿過壩頂，一般在壩軸線下游側(cè)。增強(qiáng)體壩壩體為“均質(zhì)”碾壓密實(shí)結(jié)構(gòu)，中間置入一個(gè)“均質(zhì)”體，區(qū)別是兩種材料的彈性模量差距較大，減小了滑弧的范圍。將滲透壓力“截?cái)唷保瑑蓚€(gè)彈模的不同，將力傳向下方。受力小彈模-大彈模-小彈模。區(qū)別于傳統(tǒng)的小彈模-小彈模-小彈模的均勻分層受力。上游的分層力傳遞給縱向墻體，在重分布給下游“分層體”。增強(qiáng)體本身會(huì)消耗一部分力。增強(qiáng)體心墻也不會(huì)像傳統(tǒng)面板產(chǎn)生不均勻沉降、開裂現(xiàn)象，傳統(tǒng)面板由于受板的自重，在下部基礎(chǔ)沉降，應(yīng)力均勻分布引起的，單縱向心墻自重力方向與基礎(chǔ)(壩體)沉降是平行方向，而非上下關(guān)系。而受到水平推力，向基礎(chǔ)(壩體)施加的力與沉降力是垂直關(guān)系。因而與傳統(tǒng)板放置地面的受力體系不同。

5 結(jié)語

(1)安全系數(shù)法可以作為增強(qiáng)體壩的穩(wěn)定計(jì)算依據(jù)，也可作為體型優(yōu)化的依據(jù)。

(2)增強(qiáng)體土石壩內(nèi)置入增強(qiáng)體，兩側(cè)約束更有利于壩體穩(wěn)定。

(3)增強(qiáng)體土石壩打破傳統(tǒng)土石壩上防下排理念，引入防滲受力結(jié)合體，為巖土力學(xué)理論的應(yīng)用新壩型的發(fā)展提供了一條新道路。

(4)后續(xù)可以深入研究一下增強(qiáng)體置入壩中，兩側(cè)土體對(duì)墻體的“反彈”與擠壓，對(duì)墻體的平面受力影響。進(jìn)一步加強(qiáng)應(yīng)力變形[16]等研究

(5)增強(qiáng)體土石壩理論研究隨著工程案例的不斷增多，可以進(jìn)一步總結(jié)完善相關(guān)理論和方法。