張才軍

(湖北省漳河土木工程設(shè)計(jì)院，湖北 荊門 448000)

水庫滲漏對(duì)于水庫安全有著不可忽視的影響，其能夠抬高水庫四周地下水水位，也能夠影響水庫壩體的安全穩(wěn)定[1- 4]；同時(shí)由于地域的限制，在干旱及半干旱的氣候變化下，滲漏問題將會(huì)帶來一系列的連鎖反應(yīng)，譬如水庫蓄水量不足、影響農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展等[5- 8]。為了改善此類問題帶來的負(fù)面影響，工程界采用了“上防下排”的措施，即在水庫及壩體采用防滲措施，同時(shí)在壩后采用排水措施。

本文通過有限元軟件，對(duì)某水庫工程進(jìn)行計(jì)算、分析，研究不同防滲措施、壩后排水溝距壩趾距離及深度對(duì)地下水埋深的影響，結(jié)合滲流理論計(jì)算水庫的抗滑穩(wěn)定性，為該類水庫工程的防滲措施提供相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 滲流理論

土體保持非飽和狀態(tài)，其基質(zhì)吸力與土體含水率和滲透系數(shù)相關(guān)，主要決定性因素為孔隙水壓力和孔隙氣壓力。土水特征曲線是非飽和狀態(tài)下的土體含水率與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系曲線；而非飽和滲流方程，故為非飽和狀態(tài)下土體的滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力之間的方程。在實(shí)際工程中，Van Genuchten的非飽和狀態(tài)下土水特征曲線以及滲流方程應(yīng)用更為廣泛。

非飽和土水特征曲線方程的具體公式為：

μm=μα-μw

(1)

式中，μm、μα、μw—基質(zhì)吸力、孔隙氣壓力和孔隙水壓力；kPa；θw、θs和θr—體積含水率、飽和含水率和土體殘余體積含水率；αw—與進(jìn)氣值相關(guān)的參數(shù)；nw—反映體積含水率變化速率的參數(shù)；nw—非飽和土殘余狀態(tài)相關(guān)的參數(shù)，計(jì)算公式為：

(2)

滲流方程公式為：

(3)

式中，k、ks—土體滲透系數(shù)和土體飽和滲透系數(shù)，其中土體飽和滲透系數(shù)與土體孔隙水壓力有關(guān)系，具體關(guān)系式如下：

(4)

式中，ks0—土體初始飽和滲透系數(shù)；n、n0—土體的孔隙率以及土體初始孔隙率。

1.2 壩體抗滑穩(wěn)定性

壩體抗滑穩(wěn)定性計(jì)算通過條分法計(jì)算，計(jì)算公式如下：

(5)

式中，F(xiàn)—壩體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；li—第i塊在滑弧上的長(zhǎng)度；φi、ci—第i塊的土體材料內(nèi)摩擦角和粘聚力大??；σni—第i塊滑塊在圓弧滑面上的法向應(yīng)力；τi—第i塊滑塊在圓弧滑面上的切向應(yīng)力。

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 模型建立

本次數(shù)值計(jì)算采用的工程原型為新疆某水庫工程，典型斷面如圖1所示。其中壩基面水平高程采用869.00m，壩頂高程877.30m，水庫正常設(shè)計(jì)水位875.00m，水庫壩頂寬度為6.00m，水庫壩體上、下游的壩坡坡比均為1∶2.5，水庫壩基的防滲體均采用土工膜水平鋪設(shè)，其鋪設(shè)長(zhǎng)度是壩前水頭的22倍，即132m。S為排水溝距離壩趾長(zhǎng)度，m；h2為排水溝深度，m。

圖1 模型典型斷面圖

該水庫在原斷面的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增加防滲措施，即水平鋪蓋和懸掛式防滲墻，具體位置如圖2所示，防滲墻的厚度0.4m，防滲墻長(zhǎng)度為20.00m。其余壩體尺寸保持相同。

圖2 防滲措施模型圖

2.2 模型參數(shù)

數(shù)值模擬選取的模型參數(shù)均通過實(shí)際測(cè)量及勘察得到，具體材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

2.3 試驗(yàn)方案

數(shù)值模擬將通過有限元軟件對(duì)不同試驗(yàn)方案進(jìn)行計(jì)算，主要針對(duì)防滲措施以及壩后排水溝對(duì)地下水位的影響，設(shè)計(jì)計(jì)算方案見表2。

表2 試驗(yàn)方案

注：計(jì)算1組、2組和3組分別對(duì)排水溝與壩趾距離和深度進(jìn)行排列組合，即每組試驗(yàn)進(jìn)行9個(gè)有限元試驗(yàn)計(jì)算。

3 計(jì)算結(jié)果

S=100m時(shí)地下水埋深計(jì)算結(jié)果如圖3所示，由圖3可知，排水溝距壩趾的距離及排水溝的深度對(duì)地下水埋深影響較大；當(dāng)排水溝深度不變時(shí)，地下水深出現(xiàn)先減小后增大，最后在排水溝后緣一定范圍內(nèi)保持地下水埋深不變，在排水溝底部出現(xiàn)地下水最大埋深；當(dāng)排水溝距壩趾的距離不變時(shí)，隨著排水溝深度的增加，最大地下水埋深也逐漸增加，最后穩(wěn)定的地下水埋深相應(yīng)增加；對(duì)比排水溝前后的地下水埋深可知，排水溝能夠消耗一定的水頭，進(jìn)而使經(jīng)過排水溝后的地下水埋深增加。

圖3 S=100m時(shí)地下水埋深計(jì)算結(jié)果

3.1 排水溝位置對(duì)地下水的影響

h2=2m時(shí)不同壩趾距離地下水埋深計(jì)算結(jié)果如圖4所示，由圖4可知，當(dāng)壩體沒有防滲措施及排水溝深度一定時(shí)，地下水埋深隨著排水溝距壩趾距離的增加而先降低后增加；當(dāng)有防滲措施(防滲墻和土工膜)時(shí)，地下水埋深隨著排水溝距壩趾距離的增加而增加，由于壩前水頭有限，在無防滲措施時(shí)，其影響范圍可能在本次計(jì)算范圍內(nèi)；當(dāng)有防滲措施時(shí)，壩前水頭在防滲措施作用下得到一定的削弱，進(jìn)而使其影響范圍減小，并小于本次計(jì)算范圍，導(dǎo)致其地下水埋深逐漸增加。

圖4 h2=2m時(shí)不同壩趾距離地下水埋深計(jì)算結(jié)果

h2=4m時(shí)不同壩趾距離地下水埋深計(jì)算結(jié)果如圖5所示，由圖5可知，地下水埋深的變化規(guī)律與圖4保持相同，即兩者的原理基本相同。

圖5 h2=4m時(shí)不同壩趾距離地下水埋深計(jì)算結(jié)果

h2=6m時(shí)不同壩趾距離地下水埋深計(jì)算結(jié)果如圖6所示，由圖6可知，當(dāng)壩體排水溝深度一定時(shí)，在不同防滲措施下，地下水埋深隨著排水溝距壩趾距離的增加先降低后增加；主要是因?yàn)槠渑潘疁仙疃鹊脑黾樱喈?dāng)于增加了壩前水頭與排水溝的水頭差，在有防滲措施情況下的水頭影響范圍也逐漸增加到本次計(jì)算范圍內(nèi)。

圖6 h2=6m時(shí)不同壩趾距離地下水埋深計(jì)算結(jié)果

3.2 排水溝深度對(duì)地下水的影響

S=60m時(shí)不同壩趾距離地下水埋深計(jì)算結(jié)果如圖7所示，由圖7可知，當(dāng)排水溝距壩趾的距離不變時(shí)，隨著排水溝深度的增加，地下水埋深也不斷增加；當(dāng)有防滲措施時(shí)，其變化規(guī)律也相同；而對(duì)壩體使用土工膜比防滲墻的地下水埋深更大?？赡苁怯捎陔S著排水溝深度的增加，進(jìn)而增加對(duì)地下水水頭的損失，使地下水埋深進(jìn)一步增加；土工膜比防滲墻產(chǎn)生的地下水埋深更大，是因?yàn)橥凉つさ姆罎B效果較防滲墻好。但隨著排水溝深度的增加，兩種防滲措施產(chǎn)生的地下水埋深越來越接近。

圖7 S=60m時(shí)不同措施下地下水埋深計(jì)算結(jié)果

S=100m時(shí)不同壩趾距離地下水埋深計(jì)算結(jié)果如圖8所示，由圖8可知，隨著排水溝深度的增加，地下水埋深的變化規(guī)律與圖7基本保持相同，即兩者之間的原理也基本相同。

圖8 S=100m時(shí)不同措施下地下水埋深計(jì)算結(jié)果

S=140m時(shí)不同壩趾距離地下水埋深計(jì)算結(jié)果如圖9所示，由圖9可知，當(dāng)排水溝距壩趾的距離達(dá)到一定時(shí)，不同的防滲措施產(chǎn)生的地下水埋深基本相同，即防滲措施雖然有作用，但不同的防滲措施效果所達(dá)到的效果基本相同。主要原因是隨著排水溝距壩趾的距離達(dá)到一定時(shí)，在無防滲措施時(shí)其壩前水頭所影響的范圍能夠達(dá)到，但是當(dāng)有防滲措施時(shí)，其影響的范圍達(dá)不到，所以兩者的影響效果相同。

圖9 S=140m時(shí)不同措施下地下水埋深計(jì)算結(jié)果

3.3 下游壩坡穩(wěn)定性分析

h2=2m時(shí)不同壩趾距離下安全系數(shù)(抗滑安全系數(shù)，本文視為安全系數(shù))計(jì)算結(jié)果如圖10所示，由圖10可知，在排水溝深度一定時(shí)，無防滲措施壩體的安全系數(shù)相比有防滲措施壩體安全系數(shù)較低，具有土工膜防滲措施的壩體安全系數(shù)最大；并且隨著排水溝距壩趾距離的增加，所有方案下的壩體安全系數(shù)均出現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。主要原因是防滲效果越好，地下水埋深相對(duì)越大，對(duì)壩體安全影響越??；隨著排水溝距壩趾距離的增加，地下水埋深也逐漸增加，所以對(duì)壩體的安全影響減小。

圖10 h2=2m時(shí)不同壩趾距離下安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

S=60m時(shí)不同措施下安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖11所示，由圖11可知，在排水溝距壩趾的距離一定時(shí)，不同防滲措施下，隨著排水溝深度的增加，壩體的安全系數(shù)逐漸增加，主要是因?yàn)殡S著排水溝深度的增加，地下水埋深也不斷增加，進(jìn)而對(duì)壩體安全系數(shù)的影響越??；當(dāng)排水溝深度達(dá)到一定時(shí)，壩體使用不同的防滲措施，其安全系數(shù)基本相同，主要是因?yàn)楫?dāng)排水溝深度達(dá)到一定時(shí)，不同的防滲措施產(chǎn)生的地下水埋深基本相同，進(jìn)而使其安全系數(shù)基本相同。

圖11 S=60m時(shí)不同措施下安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

通過有限元數(shù)值模擬計(jì)算壩體在不同防滲措施、壩后排水溝距壩趾的距離以及排水溝深度對(duì)地下水埋深和壩體安全的影響，并得到以下結(jié)論：

(1)在排水溝深度和距壩趾的距離一定時(shí)，壩體采用防滲措施將有效的增加地下水埋深；且土工膜防滲措施比防滲墻防滲措施產(chǎn)生的地下水埋深更深。

(2)當(dāng)壩體有、無防滲措施時(shí)，地下水埋深變化規(guī)律不同，前者隨著排水溝距壩趾距離以及排水溝深度的增加而逐漸增加，后者隨著排水溝距壩趾距離的增加先降低后增加，隨著排水溝深度的增加，地下水位也增加。

(3)有防滲措施壩體穩(wěn)定性更高，采用土工膜防滲措施的壩體穩(wěn)定性最好；隨著排水溝距壩趾距離以及排水溝深度的增加，壩體安全系數(shù)逐漸增加；當(dāng)排水溝深度達(dá)到一定時(shí)，壩體使用不同的防滲措施，對(duì)壩體穩(wěn)定性影響較小。