白 陽(yáng)

（新疆自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 新疆烏魯木齊 830000）

擋渣壩壩體滲流分析與施工設(shè)計(jì)

白 陽(yáng)

（新疆自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 新疆烏魯木齊 830000）

壩體滲流是影響擋渣壩穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一，因此計(jì)算滲流量具有十分重要的意義。本文著力于大壩滲流分析，簡(jiǎn)要介紹了有限單元法的滲流計(jì)算方法，并結(jié)合實(shí)際工程得出的計(jì)算結(jié)果，針對(duì)性的提出改善防滲施工設(shè)計(jì)的措施。

擋渣壩 滲流 有限單元法 施工設(shè)計(jì)

1 工程概況

渣場(chǎng)庫(kù)址選擇在洛河右岸河灘階地上，渣場(chǎng)總長(zhǎng)2313.20m，擋渣壩庫(kù)容為161.1萬(wàn)m3，擋渣壩結(jié)合場(chǎng)址區(qū)周?chē)狞S土坎，共同形成庫(kù)容滿足堆存總廠區(qū)約5年排放的渣量（年排放量為30萬(wàn)m3）。待渣面接近擋渣壩壩頂時(shí)，在擋渣壩壩前碾壓渣面上逐漸加高，與庫(kù)區(qū)碾壓渣一樣形成碾壓渣的整體型壩體，直至形成工程所需的最終庫(kù)容。渣場(chǎng)最終庫(kù)容為609.3萬(wàn)m3。工程區(qū)地層巖性從上至下主要為粉質(zhì)壤土層、粉土層、砂卵石層、粘土層。

2 壩體滲流分析

滲流的概念，就是液體在土壤、巖石等介質(zhì)中孔隙的流動(dòng)，由于渣的物理力學(xué)特性，擋渣壩的安全與滲流分布會(huì)受其直接影響，因此必須對(duì)渣場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)分析滲流情況。一般對(duì)于滲流場(chǎng)的滲流理論分析通常有三種方法，即模型模擬、理論求解和有限單元分析法。近年隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，有限單元法得到了快速的發(fā)展，能更好地適應(yīng)給定邊界條件的情況，本文主要探討的是有限單元法的滲流分析方法。

2.1 滲流計(jì)算模型

流體在土壤、巖石中沿著孔隙的流動(dòng)是個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，在實(shí)際工程應(yīng)用中沒(méi)必要準(zhǔn)確計(jì)算出各點(diǎn)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)速度，只要得出某一工程范圍內(nèi)的宏觀平均效果就能解決工程問(wèn)題。滲流模型的建立有助于滲流情況的研究，它理想化地把整個(gè)工程范圍內(nèi)的液體流動(dòng)看成連續(xù)介質(zhì)的水流運(yùn)動(dòng)，并充滿了滲流區(qū)域的全部空間。因此根據(jù)滲流模型的定義，某一斷面的滲流速率為：

其中△Q為過(guò)段面△A的滲流量；

2.2 飽和—非飽和三維瞬態(tài)滲流理論基本方程26

把液體在孔隙中的流動(dòng)看成是各向同性滲流的話,液體的運(yùn)動(dòng)方程符合達(dá)西定律，為

其中ui是液體沿x方向的流速；K是液體在介質(zhì)中的滲透系數(shù)；H為x2沿鉛直方向的高度；r是液體的容重；p是流體的壓強(qiáng)；h是壓強(qiáng)水頭。

地下水的運(yùn)動(dòng)具有連續(xù)性，從質(zhì)量守恒原理可以推出可壓縮飽和土體中滲流的連續(xù)性方程：

式中：p為流體的密度；

n為土體的孔隙率；

Cs為飽和度。

對(duì)于剛性骨架,n=const,且

故上式可改寫(xiě)為飽和一非飽和滲流的一般微分方程式：

其中β代表貯水率，表達(dá)式為：

飽和滲流情況，公式(6)右端直接就等于零。對(duì)于非飽和滲流,非飽和土滲透系數(shù)K與飽和度c,及原有吸濕結(jié)合水的飽和度Csw有關(guān)。

2.2.1 定解條件

求解公式(6)應(yīng)給定適當(dāng)?shù)某跏紬l件及相應(yīng)的邊界條件:

其中b是給定邊界水頭,n代表的是沿邊界的外法線方向。

2.3 有限單元法求解

本文主要介紹時(shí)空有限元法求解中的半離散的逐步積分法，計(jì)算的第一步驟是將被研究區(qū)域剖解成有限個(gè)單元體,后得出代數(shù)方程組,通過(guò)計(jì)算機(jī)得出結(jié)果。求解滲流場(chǎng)中水頭函數(shù)的方程一般形式為

式中 [K]為所建立的滲透矩陣；

｛H｝是要求的水頭列向量；

｛f｝是自由項(xiàng)的列向量；

2.3.1 自由面的確定

對(duì)于穩(wěn)定滲流來(lái)說(shuō),該面上任一點(diǎn)水頭 應(yīng)等于該點(diǎn)的位置高程 對(duì)于非穩(wěn)定滲流來(lái)說(shuō),還應(yīng)滿足第二類(lèi)邊界條件的流量補(bǔ)給關(guān)系。

2.3.2 滲流量的計(jì)算

滲流量的計(jì)算要選取適當(dāng)?shù)臄嗝孀鳛橛?jì)算單元的中斷面，一般為過(guò)水?dāng)嗝?計(jì)算通過(guò)某一過(guò)水?dāng)嗝娴臐B流量計(jì)算公式為：

滲流量Q就是這些單元滲流量的代數(shù)和。

2.4 擋渣壩工程計(jì)算實(shí)例

工程下游擋渣壩長(zhǎng)度約為657m，壩頂高程371m，壩頂寬5m，上游壩坡取為1:2.5，下游壩坡采用1：2.0，視擋渣壩為均質(zhì)土壩，壩體的滲透系數(shù)為0.00023，地基的滲透系數(shù)為0.008。二維滲流有限單元法計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算。該程序會(huì)自動(dòng)將整個(gè)計(jì)算區(qū)域單元進(jìn)行剖分，本工程區(qū)域劃分為275個(gè)單元，167個(gè)節(jié)點(diǎn)。主程序計(jì)算不僅可以得出滲流量，還能夠得到壩體浸潤(rùn)線和等勢(shì)線分布。對(duì)比利用有限元軟件計(jì)算出來(lái)的結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果，如表1所示，可以看出有限單元法具有非常高的準(zhǔn)確度，與實(shí)際誤差較小，具有很高的實(shí)用性和可靠性。

表1 關(guān)鍵點(diǎn)水頭和斷面流量比較

3 擋渣壩防滲施工設(shè)計(jì)

擋渣壩滲流分析結(jié)束后，要針對(duì)性的采取相應(yīng)的施工措施，改善原有的施工設(shè)計(jì)。壩體填筑采用當(dāng)?shù)厝劳?、粉土填筑，主要利用?kù)底及沖溝兩側(cè)的開(kāi)挖料，在壩前碾壓渣面上利用廢渣碾壓形成向庫(kù)內(nèi)傾斜的1：30的自然坡比，庫(kù)區(qū)內(nèi)廢渣按1：4的坡向下游側(cè)放坡并逐層堆填，廢渣堆填的坡腳線與擋渣壩壩頂上游側(cè)重合，填筑壩料的壓實(shí)度要符合規(guī)定要求，一般不能低于0.97。

3.1 壩體防滲結(jié)構(gòu)

考慮環(huán)保要求，渣場(chǎng)采用全庫(kù)盤(pán)防滲，保證廠區(qū)排出的廢渣及廢液不發(fā)生滲漏。擋渣壩采用土工膜防滲，復(fù)合土工膜鋪設(shè)高程自壩頂至庫(kù)底。壩坡平整至1：2.5后直接鋪設(shè)復(fù)合土工膜，壩頂開(kāi)挖“V”形槽，將頂端膜埋在“V”形槽內(nèi)，壩腳土工膜與庫(kù)底土工膜連為一體。依據(jù)土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范要求，防滲膜膜厚應(yīng)不小于0.5mm，同時(shí)考慮膜的排水、排氣和對(duì)膜的保護(hù)，選用PE復(fù)合土工膜（300g/0.6mm/300g）。

3.2 壩基處理

庫(kù)底根據(jù)地形由北向南方向按照1.6%的坡進(jìn)行開(kāi)挖平整壓實(shí)，鋪設(shè)土工膜防滲，選用PE復(fù)合土工膜（300g/0.6mm/300g），膜上鋪設(shè)500mm厚保護(hù)土防止廢渣破壞土工膜。渣場(chǎng)表層清廢深度為1.0m，清廢土可以用作擋渣壩壩體下游護(hù)坡綠化。擋渣壩段壩基清基厚度為1.0m；渣場(chǎng)周?chē)S土坎段由1：2.5的坡進(jìn)行削坡處理。擋渣壩樁號(hào)0+969.40～ 1+561.654段有一個(gè)三角形黃土坎地帶，此處需進(jìn)行開(kāi)挖，開(kāi)挖高程定為366.0m。

3.3 渣場(chǎng)排洪

上游沖溝內(nèi)的洪水均由化工廠周邊的排水管網(wǎng)經(jīng)鐵路涵洞排至渣場(chǎng)下游，能進(jìn)入渣場(chǎng)的洪水只是坡面暴雨洪水，工程區(qū)受鐵路排洪設(shè)施的影響，坡面匯流的面積較小且本地區(qū)降雨量小，渣場(chǎng)區(qū)域不會(huì)形成較大的洪水匯流，作為干式渣場(chǎng)，主要解決雨水對(duì)渣場(chǎng)的影響即可。渣場(chǎng)雨水分區(qū)考慮如下：（1)由于區(qū)域年蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于年降水量，渣的堆存范圍內(nèi)雨水暫時(shí)貯存，逐漸自然蒸發(fā)，最終達(dá)到平衡。（2)為防止雨水對(duì)壩體下游坡面的沖刷，沿壩體下游坡面修筑排水溝，與其他排水溝連成整體，并就近接入渣場(chǎng)周?chē)慕厮疁?，使雨水安全順利地排出去，?jiān)決杜絕雨水與渣體接觸后再泄露出去。

4 結(jié)語(yǔ)

擋渣壩的滲流及穩(wěn)定問(wèn)題是建設(shè)水庫(kù)大壩經(jīng)常遇到的工程問(wèn)題,如不考慮壩體滲流情況而直接進(jìn)行工程施工，會(huì)給擋渣壩的穩(wěn)定性帶來(lái)嚴(yán)重的影響，甚至?xí)o擋渣壩的安全和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)嚴(yán)重的威脅,因此對(duì)施工前的擋渣壩滲流分析是必不可少的過(guò)程，工程施工設(shè)計(jì)要結(jié)合滲流情況分析做出相應(yīng)的改變。本文采用固定網(wǎng)格的有限元法，從理論和數(shù)值上給出了大壩滲流分析的計(jì)算方法,并將此計(jì)算過(guò)程應(yīng)用于實(shí)踐,具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

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26作者簡(jiǎn)介：白 陽(yáng)（1983年—），女，工程師。