土石壩加高加固防滲措施及邊坡穩(wěn)定的分析研究

翁湛

(浙江省水利河口研究院，浙江 杭州310020)

摘要：在土石壩加高加固過程中，必須對壩體滲流和滲流作用下邊坡穩(wěn)定進行分析，確保加高加固階段和蓄水運行過程中的壩體安全.根據(jù)有限單元法基本原理和滲流基本理論，對土石壩加高加固穩(wěn)定和非穩(wěn)定滲流問題的利用有限單元法程序進行了實例分析.

關(guān)鍵詞：土石壩；加高加固；滲流；防滲措施；邊坡穩(wěn)定

中圖分類號：TV697.2文獻標志碼：A

收稿日期：2015-03-16

作者簡介：翁湛(1982-)，男，浙江衢州人，工程師，工程碩士，從事水利設(shè)計工作.

Study on the Anti-seepagemeasures and Slope Stability During the

Heightening and Strengthening of Earth-fock Fill Dams

WENG Zhan

(Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary,Hangzhou 310020 China)

Abstract:Therefore, during the heightening and reinforcement of earth-rock fill dams, the seepage and slope stability under seepage must be studied to ensure the safety of the dams in the process of construction and water impoundment. In this paper, the finite element method program for steady and unsteady flow problem was studied, based on the finite element method and the seepage theory.

Key words:earth-rock fill dam; heightening and consolidation; seepage; anti-seepage measures; slope stability

0引言

土石壩是利用壩址附近的土石料填筑(碾壓或夯實)而成的擋水建筑物.土石壩以其經(jīng)濟性和適應(yīng)各種地形地質(zhì)條件的優(yōu)勢，居于各類壩型的首位.

由于土石壩壩頂不允許過流，因此土石壩的應(yīng)用也有一定的局限性，必須修建溢洪道來泄流.此外，由于土石料具有滲透性，所以滲流問題是土石壩安全的關(guān)鍵.土石壩滲流一方面造成水量損失，另一方面產(chǎn)生滲透作用力及引起土體材料強度降低，進而導致滑坡，使大壩喪失穩(wěn)定.在我國，已建成的八萬多座大壩中，土石壩占據(jù)很大的比例，因此，土石壩滲流研究在我國還有很大發(fā)展空間.

滲流分析方法很多，歸納起來可分為三大類：理論分析方法、圖解法和試驗分析方法.理論分析方法又可分為解析法和數(shù)值法.其中數(shù)值解法主要包括有限單元法(FEM)、有限差分法(FDM)、邊界元法(BEM)、離散元(DEM)等等.在滲流場求解的數(shù)值方法中，有限單元法和有限差分法最為普及.

本文根據(jù)有限單元法基本原理和滲流基本理論，對土石壩加高加固穩(wěn)定和非穩(wěn)定滲流問題的利用有限單元法程序進行了實例分析.

1有限單元法基本理論

有限單元法區(qū)別于傳統(tǒng)的加權(quán)余量法和求解泛函的駐值問題的變分法，該法不是在整個求解域上假設(shè)近似函數(shù)，而是在各個單元上分片假設(shè)近似函數(shù).這樣就克服了在全域上假設(shè)近似函數(shù)所遇到的困難.

對于滲流問題，有限單元法最終將微分方程轉(zhuǎn)化為求解滲流場中水頭函數(shù)h的方程組，其形式一般為[K]{h}={f}，式中[K]為滲透矩陣；{h}為未知水頭列向量；{f}為已知水頭結(jié)點貢獻列向量.滲流有限單元方法的實施步驟(見圖1).

圖1　滲流有限單元方法實施步驟

2土石壩加高加固實例分析

本次分析不考慮繞滲和沿壩軸線方向滲流，則三維滲流場可簡化為二維滲流場進行分析.基于Geo-studio SEEP和SLOPE/W模塊對某水庫大壩加高加固后壩體進行滲流和邊坡穩(wěn)定分析，計算時分別對正常蓄水位、設(shè)計洪水位、校核洪水位和校核洪水位驟降等工況進行滲流穩(wěn)定分析，以獲得加高加固后壩體滲流特性，包括整體滲流場的狀態(tài)、水頭、滲透梯度等值線分布以及滲漏量，在上述滲流場計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，對大壩上下游坡進行穩(wěn)定分析，評價加高后水庫大壩防滲效果進行優(yōu)化建議.

2.1工程概況

某均質(zhì)土壩壩頂高程83.9 m，最大壩高23.3 m，壩頂寬度4.0～5.0 m.上游壩坡自上而下坡比分別為1∶2.0、1∶3.5，下游壩坡自上而下坡比分別為1∶1.5、1∶2.0.下游坡為草皮護坡，壩腳設(shè)有褥墊式排水.除險加固前水庫存在的主要問題有：土壩現(xiàn)狀壩頂高程不滿足防洪要求，土壩壩體及壩基滲透系數(shù)偏大；壩體外約5.0 m處沿壩腳滲漏，滲流量與庫水位相關(guān)，壩基與壩體接觸帶存在滲流隱患；溢流壩壩體滲漏量大.

除險加固措施主要包括：(1)壩頂在上游面加高培厚，上游側(cè)采用土工膜上壓混凝土預制塊護坡作為壩體防滲設(shè)施，下游側(cè)修整壩坡重植草皮護坡，并設(shè)干砌塊石貼破排水.(2)考慮到壩基覆蓋層滲流量較大，在壩踵進行帷幕灌漿.(3)對溢流壩壩體進行帷幕灌漿處理.

2.2滲流穩(wěn)定分析

2.2.1計算工況和材料參數(shù)

大壩加高后滲流場計算所采取的各種材料的滲透系數(shù)參照地質(zhì)勘探資料(見表1).

表1　大壩加高加固材料滲透系數(shù)

滲流分析主要是對不同加固情況下壩體正常蓄水位、設(shè)計洪水位、校核洪水位和校核洪水位驟降等工況進行對比分析，選取最優(yōu)工況，具體計算工況(見表2).

表2　滲流計算工況

上游水位取為加高后的正常蓄水位80.12 m、設(shè)計洪水位82.05 m或校核洪水位84.36 m，高于河或庫水位的地方為滲流可能逸出面；在壩軸線下游側(cè)，同樣低于下游水位的地方為已知水頭邊界條件，下游水位取為加高后的下游水位54.01 m、下游設(shè)計洪水位54.88 m或校核洪水位57.72 mm，高于下游水位的地方均為可能滲流逸出面.

2.2.2滲流穩(wěn)定分析

滲控設(shè)計的主要目的：一是控制防滲措施下游的剩余水頭，降低下游壩體及兩岸坡上的滲流逸出線高度，增強下游壩坡或岸坡的穩(wěn)定性；二是控制滲流梯度，避免滲透變形破壞，確保壩體、壩基和壩肩等滲流穩(wěn)定性；三是控制流量，使流量損失最小或在允許范圍內(nèi)；四是控制壩體和壩基各種滲流力，改善壩體和壩基的變形和應(yīng)力條件.

基于Geo-studio SEEP模塊，對土壩進行滲流穩(wěn)定分析，各工況下壩體內(nèi)部等勢線(見圖1～圖4).從下面各表、圖中可以看出加高加固后后壩體滲流場水頭分布規(guī)律合理，水頭等值線形態(tài)、走向和密集程度都較準確地反映了相應(yīng)區(qū)域防滲或排水滲控措施的特點、滲流特性和邊界條件，計算域內(nèi)的主要防滲和排水措施同樣得到了細致的模擬，滲控效果也及時得到了正確反映.

圖1　正常蓄水位壩體水頭等勢線圖

圖2　設(shè)計洪水位壩體水頭等勢線圖

圖3　正常蓄水位壩體水頭等勢線圖

圖4　設(shè)計洪水位壩體水頭等勢線圖

(1)加高加固后，壩體和壩基滲流在現(xiàn)行防滲設(shè)計條件下基本得到控制.

(2)在上游面設(shè)置復合土工膜防滲面板并在壩踵部位進行帷幕灌漿后，防滲面板與壩踵帷幕形成一個復合防滲體，有效截斷了壩體和壩基滲流.滲透坡降隨著消減水頭雖然增大，但由于上游面加厚，壩體滲徑增大，因此土壩中的滲透坡降增大幅度較小.壩體下游壩面附近，出逸點部位坡降增大，考慮到下游貼坡排水體設(shè)置有反濾層，出逸點部位滲流穩(wěn)定.

表3　壩區(qū)不同部位的最大滲透坡降

(3)非穩(wěn)定滲流分析主要對庫水位驟降情況進行計算，由于上游壩面有防滲面板作用，壩體水頭較庫水位有明顯削減，遭遇庫水位驟降時，未出現(xiàn)高于浸潤線高于庫水位的情況.由于原壩體土滲透系數(shù)較大，壩踵未布置防滲帷幕時，壩體上游水頭與庫水位基本一致；在壩踵布置防滲帷幕后，上游壩體水頭較庫水位有所削減，值較水位驟降前有所減小.

(4)對壩體進行加高加固后，壩體和壩基滲流量得到有效控制.不同防滲加固情況下，壩體和壩基滲流量(見表4).

表4　壩體和壩基單寬滲流量

2.2.3結(jié)論

在上游面設(shè)置復合土工膜等防滲面板后，結(jié)合壩踵部位防滲帷幕，壩體防滲效果明顯增強，同時通過在出逸點處設(shè)置了貼坡排水以及土工膜，可緩解出逸點部位的沖刷.

2.3邊坡穩(wěn)定分析

工程等別為Ⅲ等，永久性水工建筑物級別為3級.壩坡抗滑穩(wěn)定計算采用簡化畢肖普法.根據(jù)規(guī)范要求，壩坡抗滑穩(wěn)定的安全系數(shù)在正常運用條件下應(yīng)不小于1.30，非常運用條件下應(yīng)不小于1.20.

2.3.1計算工況和材料參數(shù)

主要土層物理力學性指標依據(jù)本次地質(zhì)報告中建議數(shù)據(jù)進行選取(見表5).

表5　抗滑穩(wěn)定計算各土層選用計算參數(shù)表

2.3.2邊坡穩(wěn)定分析

根據(jù)規(guī)范，基于SLOPE/W模塊采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普法對穩(wěn)定和非穩(wěn)定滲流狀況下壩體上下游壩坡進行穩(wěn)定分析.上游防滲面板結(jié)合壩踵帷幕時，壩體上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果(見表6)和(見圖5～圖8).

表6　大壩上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

圖5　正常蓄水位下游壩坡滑動面

圖6　設(shè)計洪水位下游壩坡滑動面

圖7　校核洪水位下游壩坡滑動面

圖8　校核洪水位驟降上游壩坡滑動面

2.3.3結(jié)論和建議

(1)加固加高后，在壩體上游防滲面板結(jié)合壩踵帷幕時，各工況壩體上游壩坡、下游壩坡抗滑穩(wěn)定滿足要求.

(2)在壩踵處進行防滲帷幕灌漿，在防滲面板和壩踵帷幕體共同作用下，壩體上游削減水頭效果明顯，校核洪水位驟降對壩體浸潤線影響較小，驟降后期上游壩坡最小抗滑穩(wěn)定系數(shù)相對較大.

3結(jié)語

本文在對滲流作用下壩體邊坡穩(wěn)定分析方法進行闡述.基于Geo-studio SEEP模塊對土石壩穩(wěn)定滲流情況進行分析，然后在滲流計算成果基礎(chǔ)上用SLOPE/W模塊進行邊坡穩(wěn)定分析.通過理論研究和工程實例分析：對不同防滲布置方案下壩體內(nèi)部水頭等值線分布、水力坡降和滲流量進行對比分析，論述方案的可行性；基于滲流分析結(jié)果，對穩(wěn)定和非穩(wěn)定滲流作用下，壩體上游和下游壩坡進行抗滑穩(wěn)定分析.

由于土石壩滲流和穩(wěn)定課題的復雜性，本文僅對土石壩二維穩(wěn)定和非穩(wěn)定滲流場進行了模擬，對于三維滲流未進行深入研究.

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