張 奇

（廣東省源天工程有限公司,廣東 廣州 511340）

0 引言

滲流和壩坡穩(wěn)定始終是土石壩壩體設計及管理的重點問題,設計不當、后期運行維護不及時不到位等會引發(fā)土石壩滲流異常,壩體浸潤線持續(xù)升高,不利于下游壩坡穩(wěn)定及壩體運行安全。我國過去所建造的土石壩因當時技術水平落后,相關規(guī)范不完善,而遺留了大量病險問題,使水庫無法正常發(fā)揮灌溉、供水、防洪等功能,為此,必須在深入分析壩體加固前后滲流及壩坡穩(wěn)定性的基礎上,進行土石壩及病險水庫加固防護。

1 壩體滲流及壩坡抗滑穩(wěn)定分析原理

土石壩加固前后滲流計算主要基于達西定律,其一般形

式表示如下：

式中：vx、vy、vz為x、y、z滲透主軸向達西流速,m/s；kx、ky、kz為x、y、z滲透主軸向滲透系數(shù)；h為滲流場內計算點水頭,m。

則穩(wěn)定滲流微分方程為：

為簡化分析,可將土石壩滲流問題簡單視為x-y面的二

維滲流問題,則以上三維穩(wěn)定滲流微分方程可簡寫為：

水庫工程土石壩基本為非飽和狀態(tài),一般情況下主要應用土水特征曲線進行非飽和土石壩狀態(tài)描述,該曲線屬于非線性函數(shù),本文采用Van Genuchten代理模型進行土水特征曲線貼合[1],同時進行土石壩土體實際含水量、壩體滲透系數(shù)、壩體基質吸力等參數(shù)函數(shù)關系及變動趨勢特征的描述,表示如下：

式中：Se為有效含水飽和度；為壩體填筑材料體積含水量；s為壩體填筑材料體積含水量飽和值；r為壩體填筑材料體積含水量殘余值；φ為壩體填筑材料基質吸力；a、n、m為土水特征曲線擬合參數(shù)；k為壩體填筑材料的滲透系數(shù)；ks為壩體填筑材料滲透系數(shù)飽和值。

基于土石壩有限元非飽和滲流計算以及邊坡穩(wěn)定分析結果,便可計算出土石壩壩坡最危險滑動面所對應的安全系數(shù)臨界值。參考現(xiàn)有研究成果,水庫非飽和滲流土石壩壩體填筑材料各項參數(shù)不確定性對土石壩可靠性及滲流穩(wěn)定性影響程度的分析主要采用蒙特卡洛模擬方法,分析過程中所涉及的土石壩壩體填筑材料各項參數(shù)統(tǒng)計特征值均通過試驗數(shù)據(jù)擬合、工程類比、既有參考文獻等獲取。

土石壩抗滑穩(wěn)定分析方面,Bishop公式充分考慮土條間的作用力且計算過程較為簡單,為此,此處主要采用簡化的Bishop法[2]進行土石壩抗滑穩(wěn)定分析,公式如下：

式中：Fs為壩坡安全系數(shù)；c'i為土石壩土體粘聚力,kPa；φ'i為內摩擦角,（°）；Wi為土條重量,kg；bi為土條寬,m；ui為土條底弧面中點孔隙水壓力,kPa；ai為通過土體重心的半徑和鉛垂面夾角,（°）。

2 工程實例

2.1 基本資料

新疆和田地區(qū)皮山縣境內的波斯干水庫夾在昆侖山北麓河塔里木盆地西南緣之間,具體位于西昆侖山前低丘陵區(qū),水庫庫區(qū)主要呈南部高北部低態(tài)勢,同時也是波斯干流域出山口以上的一座山區(qū)性攔河水庫。該水庫在長期運行后目前主要表現(xiàn)出原排水棱體失效、浸潤線持續(xù)升高、壩體滲流等問題。為有效解決該水庫土石壩滲流并提升下游壩坡穩(wěn)定安全,主要采取水庫庫盤區(qū)清淤,利用庫盤清淤土料對后壩進行修整加固并設置排水體和排水溝,上游壩坡樁號0+013~0+048段進行削坡至安全坡比,對格賓石籠泄洪渠進行加固加高改造,同時將原已失效的排水棱體拆除后進行工程措施重建。通過本次除險加固,波斯干水庫總庫容可達到301.75×104m3,興利庫容60×104m3,死庫容80×104m3。

2.2 計算方法及參數(shù)選取

計算模型選取波斯干水庫最大壩高橫斷面,該斷面基礎高程1888.3 m,壩高最大值18.30 m,上下游坡比均為1∶2.5。按照設計要求進行大壩壩體加固后,壩頂寬度從原來的2.8 m增大至3.8 m,上游坡比則調整為1∶3.5,下游坡比不變。在下游高程1890.3 m處增設頂寬1.0 m的貼坡排水體,并按照3.0 m的壩基影響深度進行二維有限元計算。具體而言,主要通過GeoStudio分析軟件中的Seep/w和Slope/w模塊分別進行波斯干水庫土石壩壩體滲透分析及壩坡抗滑穩(wěn)定分析。按設計要求分別進行壩體、黏土斜墻、壩基、夾層、新建排水棱體等分區(qū)加固后各分區(qū)參數(shù)選取見表1。

結合工程實際,各分區(qū)材料參數(shù)并非固定值,而隨著諸多影響因素的變動發(fā)生變異。根據(jù)對工程實際情況的考察,粘聚力變異系數(shù)和壩體內摩擦角變異系數(shù)分別取0.25 和0.15[3]。加固后的土石壩最大壩高截面離散模型共包括1459 個節(jié)點和單元尺寸1.0 m的2649 個三角形單元,設置邊界水頭條件,具體見圖1。

圖1 加固后的土石壩最大壩高截面離散模型

對于具體水庫大壩而言,其土石壩基本上處于非飽和狀態(tài),故應進行波斯干水庫大壩壩體非飽和滲流計算,同時考慮到土石壩壩體填筑材料實際滲透系數(shù)取值通常與土水特征曲線性狀直接相關,為此必須進行水庫大壩壩體、新建排水棱體等的非飽和滲流計算。

本文采用土水特征曲線中的Van Genuchten代理模型進行該水庫土石壩非飽和滲流及壩坡穩(wěn)定性分析,波斯干水庫大壩壩體填筑材料飽和體積含水量s取0.045,土水特征曲線擬合參數(shù)a、n、m分別取0.6765 kPa、2.68和0.6269,在此基礎上進行波斯干水庫土石壩水平向（X向）滲透系數(shù)與土體基質吸力、壩體體積含水量與土體基質吸力等參數(shù)的函數(shù)關系,具體見圖2和圖3。

圖2 波斯干水庫土石壩X向滲透系數(shù)與土體基質吸力關系

圖3 波斯干水庫土石壩壩體體積含水量與土體基質吸力關系

3 加固前后壩體滲流及壩坡穩(wěn)定分析

選取穩(wěn)定滲流工況下三種水位進行土石壩加固前后滲流穩(wěn)定分析,結果見表2,由表2 中結果可知看出,波斯干水庫土石壩加固后壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)比加固前明顯增大,且滲透坡降和滲流量取值均有所減小,充分說明,加固措施適用且有效。

表2 穩(wěn)態(tài)工況下土石壩加固前后滲流穩(wěn)定結果

以波斯干水庫庫水位驟降為瞬態(tài)滲流工況,在48 h的分析過程中水庫大壩壩坡上游水位從1883.8 m驟降至1881.94 m的,前值為該水庫正常蓄水位,后值為水庫死水位。根據(jù)對水庫大壩加固后瞬態(tài)庫水位驟降工況歷時48 h時邊坡滲流及穩(wěn)定性結果的分析,由簡化Bishop法計算得上下游壩坡安全系數(shù)分別取2.510 和1.849,符合水利工程設計規(guī)范所規(guī)定的至少1.15 的標準值。

當庫水位發(fā)生驟降時,上游壩坡加固前失穩(wěn)概率始終圍繞0%小幅度變動,而下游壩坡加固前失穩(wěn)概率隨水位升高起初緩慢增大,在5285 s后快速下降,從起初不符合規(guī)范到隨后符合規(guī)范；上游壩坡加固后失穩(wěn)概率仍始終圍繞0%小幅度變動,而下游壩坡按設計要求采取加固措施后失穩(wěn)的概率隨庫水位升高而呈降低趨勢,這一變動也與相關規(guī)范要求較為符合,并待水庫土石壩結構內孔隙水壓力達到完全消散狀態(tài)后,下游壩坡失穩(wěn)的可能性以及安全系數(shù)逐漸達到穩(wěn)定水平,分別見圖3和圖4。圖3加固后上游壩坡安全系數(shù)最大取3.2,且比加固前明顯增大；圖4加固后下游壩坡失穩(wěn)概率大大減小,加固后水庫大壩結構性能安全,說明波斯干水庫大壩所采取的“清淤+削坡+新建排水棱體”除險加固措施取得了預期效果。

圖4 上游壩坡安全系數(shù)

圖5 下游壩坡失穩(wěn)概率

4 結論

綜上所述,波斯干水庫大壩滲漏主要采取“清淤+削坡+新建排水棱體”的加固措施,通過進行該水庫土石壩壩體除險加固后庫水位從正常蓄水位驟降至死水位工況下壩體滲流及壩坡穩(wěn)定性等情況的模擬分析,主要取得了以下幾點結論：（1）隨著庫水位的急劇下降,且以基質吸力原因的存在,該土石壩壩體內會出現(xiàn)十分不利于上游壩坡穩(wěn)定的逆向滲流；并待水庫大壩壩體結構內孔隙水壓力完全消散后,壩坡安全系數(shù)及失穩(wěn)概率才會趨于平穩(wěn)。（2）采取“清淤+削坡+新建排水棱體”的加固措施后,該水庫大壩浸潤線下降,壩體滲流明顯降低,上游壩坡安全系數(shù)以及下游壩坡失穩(wěn)概率等取值也均達到設計規(guī)范要求水平；且波斯干水庫大壩加固后庫水位急劇下降后上游壩坡安全系數(shù)明顯增大,下游大壩壩坡失穩(wěn)概率明顯減小,充分表明本水庫大壩所采取的“清淤+削坡+新建排水棱體”的加固措施切實可行。