張水珠

(福建京源建設(shè)工程有限公司　福建　寧化　365400)

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土石壩防滲加固效果的有限元分析

張水珠

(福建京源建設(shè)工程有限公司福建寧化365400)

摘要運(yùn)用SEEP/W有限元軟件，結(jié)合岳城水庫(kù)具體工程實(shí)例，對(duì)土石壩防滲加固效果進(jìn)行了詳實(shí)分析。結(jié)論表明：依據(jù)對(duì)加固防滲影響大小的不同影響因素進(jìn)行排序，順序?yàn)榉罎B墻滲透系數(shù)、水位變化、防滲墻墻頂高程、防滲墻埋深；這些因素可歸納為水庫(kù)本身、基礎(chǔ)工程地質(zhì)環(huán)境和防滲墻三類，是實(shí)際施工設(shè)計(jì)應(yīng)關(guān)注的焦點(diǎn)所在。

關(guān)鍵詞土石壩；防滲加固；SEEP/W模型；有限元分析

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，在已發(fā)生的土石壩事故中，超過四成是由于滲透破壞而造成，因此滲流問題也就成為了保障土石壩安全的關(guān)鍵所在。運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件，對(duì)壩體防滲加固效果進(jìn)行有限元分析，既可以對(duì)具體的實(shí)際施工進(jìn)行有效指導(dǎo)，避免資源的無(wú)端浪費(fèi)，又可縮短施工周期，成為提升施工質(zhì)量的有效輔助手段。

1　工程概述

1.1水庫(kù)概況

岳城水庫(kù)位于河北省邯鄲市磁縣境內(nèi)，是當(dāng)?shù)鼐用裼盟饕杉刂?，工程等?jí)為Ⅲ等。水庫(kù)修建于上世紀(jì)八十年代，水庫(kù)集水面積11km2，庫(kù)容總量4300萬(wàn)m3，興利庫(kù)容約3700萬(wàn)m3，正常蓄水位5.6m。岳成水庫(kù)底部的平均高程為1.5m，壩頂高程在7.04m。圍堤總長(zhǎng)度為15.19km，大壩寬度為7m，水庫(kù)大壩頂部防浪墻高程在8.2m。圍壩上下游堤坡比均為1∶3，上游采用漿砌石護(hù)坡，下游采用草皮護(hù)坡。堤身均為碾壓式均質(zhì)土堤，主要成分為粘土，具備一定壓縮性（中等）；堤身各段透水性分布不均勻，堤壩多處呈弱～微透水性，但也有個(gè)別區(qū)域達(dá)中高等透水性。

1.2防滲加固工程概述

岳城水庫(kù)自建成投入使用以來(lái)已二十多年，這一過程中逐漸顯現(xiàn)一些質(zhì)量弊病，對(duì)水庫(kù)的正常運(yùn)行造成嚴(yán)重的威脅。特別是圍堤滲漏問題，不僅下游一級(jí)、二級(jí)馬道與戧臺(tái)面存在程度不一的積水現(xiàn)象，浸潤(rùn)線溢出點(diǎn)均偏高并發(fā)生過多次管涌問題；除此之外，堤基和堤身連接區(qū)域的土層滲透系數(shù)也出現(xiàn)異常，滲流嚴(yán)重，堤坡甚至存在明流現(xiàn)象。滲流不僅影響到了大壩的安全運(yùn)行，而且間接造成了下游明渠的損毀，損毀率高達(dá)近七成。針對(duì)這一情況，工程設(shè)計(jì)采用防滲墻方式對(duì)水庫(kù)大壩進(jìn)行防滲加固，防滲墻形式采用高壓噴射灌漿的方式形成全封閉的防滲墻結(jié)構(gòu)。其技術(shù)原理在于運(yùn)用高壓射流切割地層，并將高壓漿液與地層充分混合膠結(jié)，改良地層原有的結(jié)構(gòu)與特性。

采用擺噴折線型進(jìn)行噴漿作業(yè)，灌漿材料采用普通水泥粘土和膨潤(rùn)土；設(shè)計(jì)形成防滲墻厚度為0.3m，偏角與擺角分別為10°、20°，最終形成的灌漿防滲墻防滲系數(shù)應(yīng)低于5.0×10-7cm/s，同時(shí)結(jié)合施工場(chǎng)地實(shí)際情況決定將防滲墻布設(shè)在堤頂下游堤肩處，并確保墻體底部嵌入土層內(nèi)1m以上。

2　防滲加固效果分析

圖1　7+000土層分布及防滲墻測(cè)壓布置示意圖

表1　7+000斷面土體性質(zhì)概況表

圖2　SWWP/W模型示意圖

文章借助有限元軟件SEEP/W，以岳城水庫(kù)圍堤防以7+000斷面實(shí)際工程參數(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)圍堤防滲加固的不同影響要素的影響性和水庫(kù)原有設(shè)計(jì)方案合理性展開分析，下文描述時(shí)將防滲墻面向水庫(kù)一側(cè)成為上游側(cè)，將水庫(kù)背向水庫(kù)一側(cè)稱為下游側(cè)。7+000斷面基本情況如圖1所示。

2.1模型構(gòu)建

SWWP/W模型建立可結(jié)合上圖1（7+000斷面示意圖）和下表1（斷面土體性質(zhì)概況）?？s減模型范圍上游自庫(kù)底中心段開始至下游截滲溝，距上游邊界80m，距下游邊界75m。所建模型寬度為150m，高56m，地面邊界高程- 50m。模型單位厚度為1m。所建立模型如圖2所示。

2.2防滲墻滲透系數(shù)對(duì)防滲效果的影響性

為充分辨析滲透系數(shù)對(duì)防滲墻防滲效果的影響，維持其他條件相同的情況下，設(shè)置四組不同的滲透系數(shù)：其一，不透水情況滲透系數(shù)0；其二，防滲墻設(shè)計(jì)滲透系數(shù)5.0× 10-9cm/s；再者，為驗(yàn)證防滲墻性能設(shè)置兩組10×10-9cm/s和20×10-9cm/s。其對(duì)防滲墻滲透性的影響如圖3、圖4所示。

圖3　不同滲透系數(shù)時(shí)防滲墻下游側(cè)總水頭變化曲線

圖4　防滲墻設(shè)置后與設(shè)置前滲流量比值

通過圖3分析可知，伴隨防滲墻滲透系數(shù)的減小，下游水頭總體上呈線性降低；而且整個(gè)過程中水頭變化幅度較大，這表明滲透系數(shù)對(duì)于防滲墻防滲效果影響顯著，滲透系數(shù)越小越有利于防滲。

通過圖4可知，布設(shè)防滲墻厚，圍堤滲流量大幅下降，縮減至防滲墻布設(shè)前的1/6 ～1/3，這表明防滲墻起到很好的加固防滲效果。同時(shí)，隨著防滲墻滲透系數(shù)的增加，圍堤滲流量呈現(xiàn)出線性增加，這表明防滲墻透水性越低，防滲效果越佳，兼顧施工技術(shù)因素與經(jīng)濟(jì)成本，墻體滲透系數(shù)選擇設(shè)計(jì)值為宜。

2.3防滲墻埋深對(duì)防滲效果的影響性

在其他條件不變的前提下，設(shè)置三組不同埋深（5m、10m和15m），就埋深對(duì)防滲墻防滲效果進(jìn)行對(duì)比分析。其分析結(jié)果如圖6所示。

圖5　不同埋深時(shí)滲流量變化曲線

圖6　不同水位時(shí)防滲墻下游總水頭變化曲線

通過對(duì)圖6的分析可知，伴隨防滲墻埋設(shè)深度的增加，滲流量變化范圍有限，防滲墻下游總水頭變化較小，基底滲流不斷減少，呈現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系。分析得出，墻體埋深對(duì)于基底滲透性并沒有較強(qiáng)的相關(guān)性，影響較小。這主要是由于防滲墻基底自身滲透系數(shù)要明顯小于上層土的滲透系數(shù)，上層粉砂土為主要滲流通道，因此防滲墻只要埋入下部弱透水層一定深度即可，該設(shè)計(jì)方案較為合理。

2.4水位變化對(duì)防滲效果的影響性

岳城水庫(kù)是當(dāng)?shù)刂饕?，其水位變化極為頻繁，圍堤浸潤(rùn)線位置及總水頭變化也十分活躍，這對(duì)于壩體穩(wěn)定性，特別是壩體滲透性有著顯著影響。在此，選取5.5m、5.0m、4.5m、4m四組不同情況進(jìn)行分析，其分析結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖7　防滲墻不同位置滲流量對(duì)比

由圖6分析可得，水庫(kù)水位變化影響區(qū)域主要在水庫(kù)下游水位，并呈現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。本次數(shù)值模擬中設(shè)定水庫(kù)水位的變化幅度在1.5m，而模擬結(jié)果顯示防滲墻下游側(cè)水位變化幅度非常小，僅僅為0.2m，分析可知堤身與堤基滲流水的水位基本上不受水庫(kù)水位的影響。

水位的改變對(duì)下游側(cè)水位的影響呈現(xiàn)出顯著的線性相關(guān)，隨著水庫(kù)水位的增加，下游水位亦相應(yīng)增加。在此次模擬中，水庫(kù)水位最大變化范圍為1.5m，防滲墻下游側(cè)水位變化則僅為0.2m，由此可見圍堤堤身及堤基的滲流水水位變化受水庫(kù)水文影響較小。

由圖7可知，水庫(kù)水位的改變未對(duì)水庫(kù)圍堤基礎(chǔ)的滲流量造成大的影響。水庫(kù)水位自4m增長(zhǎng)至5.5m的過程中，圍堤滲流量雖呈現(xiàn)出線性增加，但其增幅極小，趨于平緩。

綜合分析兩圖可得出，水庫(kù)上游側(cè)水位變化對(duì)圍堤滲流和下游水位變化影響程度均較小。主要原因有兩點(diǎn)：一是上游側(cè)水庫(kù)水位的增加會(huì)使得其對(duì)壩體的水壓增加，從而增加壩體內(nèi)的滲流水勢(shì)；使得下游側(cè)水頭增加，改變壩體滲流路徑與土體性質(zhì)，從而導(dǎo)致滲流速率增加；二是隨著水庫(kù)水位的增加，溢過防滲墻墻頂?shù)臐B流量亦會(huì)增加。

除此之外，鑒于水庫(kù)在運(yùn)行使用時(shí)，多數(shù)情況下為滿庫(kù)運(yùn)行，雖水位存在不斷變化，但幅度有限，因此水庫(kù)水位對(duì)滲流水的水頭及水量的影響都極為有限，在實(shí)際使用中可忽略其對(duì)防滲加固效果的影響性。

2.5防滲墻頂高程對(duì)防滲效果影響

設(shè)置4種分析其相關(guān)性，選取距頂0m、1.5m、3.5m、5.5m，（防滲墻墻頂?shù)絿鷫雾敳烤嚯x）。其結(jié)果如圖9所示。

圖8　不同防滲墻頂高程處水頭變化曲線

圖9　壩體各部分滲透量與墻頂高程關(guān)系曲線

圖10　不同墻高時(shí)截面各部分滲流量百分比示意圖

從上圖8分析可知，水頭曲線基本形狀基本一致，隨高程增加，下游側(cè)水頭降低，墻頂高程明顯改變了周邊滲流情況，但這種現(xiàn)象在下游表現(xiàn)并不明顯。通過圖9和圖10可知，防滲墻越低，則繞過墻頂?shù)臐B流量越多，其在總滲流量中的比例也越大，但無(wú)論防滲墻多低，繞過墻頂?shù)臐B流量在總量中的比例均相對(duì)有限，上限為20%。防滲墻墻頂高程對(duì)防滲效果的影響方面主要表現(xiàn)在周邊水頭以及滲流量，但對(duì)整體的防滲加固效果影響并不突出，對(duì)于距離較遠(yuǎn)的下游側(cè)水頭影響很小，無(wú)法構(gòu)成對(duì)防滲加固效果的主要影響因素。

3　結(jié)論

通過上文分析可知：

（1）依據(jù)對(duì)加固防滲影響大小進(jìn)行排序，順序?yàn)榉罎B墻滲透系數(shù)、水位變化、防滲墻墻頂高程、防滲墻埋深。

（2）防滲墻滲透系數(shù)越高，則下游側(cè)水頭越大，防滲墻防滲加固效果越低。

（3）水庫(kù)水位變化雖會(huì)引起下游側(cè)水位變化，但影響較低，可忽略不計(jì)。

（4）防滲墻墻頂高程和埋深對(duì)整體的防滲加固效果影響程度較小。

總而言之，對(duì)圍堤防滲加固造成影響的因素是多方面的，但總體主要為三個(gè)方面，即基礎(chǔ)地質(zhì)條件、防滲墻以及水庫(kù)自身情況。在實(shí)際施工中應(yīng)從這三點(diǎn)著手，進(jìn)行具體分析后，采取適宜的施工技術(shù)進(jìn)行壩體防滲加固，從而為防滲加固質(zhì)量提供保障。陜西水利

參考文獻(xiàn)

[1]富強(qiáng).基于先進(jìn)數(shù)值模擬方法的復(fù)雜條件下土石壩滲流研究[D].浙江大學(xué),2010.

[2]陳玉茹.基于土石壩滲流和壩坡穩(wěn)定的二維有限元分析[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào),2014,04:13.15.

[3]蔡青華.基于有限元的病險(xiǎn)土石壩防滲加固效果評(píng)價(jià)[J].陜西水利,2013,03:79.80.

[4]唐文嘉,王敏,鄭華康,洪佳敏,李毅.牙根二級(jí)水電站壩區(qū)滲流場(chǎng)分析與滲控效應(yīng)評(píng)價(jià)[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2015,05:124.128.

[5]冉建華,邱珍鋒.土石壩各向異性滲流特性及對(duì)壩坡穩(wěn)定的影響[J].水利科技與經(jīng)濟(jì),2014,10:43.46.

[6]寇甲兵,米艷芳,楊必嫻. ANSYS在瀝青混凝土心墻壩滲流分析中的應(yīng)用[J].水利科技與經(jīng)濟(jì),2014,11:52.55.

（責(zé)任編輯：唐紅云）

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