楊宜梅

（四會市水利水電勘測設(shè)計(jì)院，廣東 四會 526200）

0 引言

由于土料的防滲功能較為理想，是一種天然的筑壩材料，因而在土石壩施工中應(yīng)用非常廣泛，但不可忽視的是土料具有的親水性也非常強(qiáng)，對水極為敏感。因此，為了給均質(zhì)土石壩的穩(wěn)定性提供有力保障，基于對均質(zhì)土石壩放水涵洞破壞點(diǎn)存在隨機(jī)性的考慮，本文引用了有限元軟件，針對放水涵洞各個(gè)位置的破壞情況進(jìn)行了建模分析，以明確可放水涵洞破壞可能給均質(zhì)土石壩滲流與穩(wěn)定性帶來的影響。

1 均質(zhì)土石壩放水涵洞

對于引用放水涵洞后置閘門控制的土石壩來講，具有結(jié)構(gòu)簡單、施工成本較低，且施工管理更加便捷等優(yōu)勢特點(diǎn)，但從工程結(jié)構(gòu)合理性這一層面來講，壩后閘門控制方式存在的缺陷也是不容忽視的。主要體現(xiàn)在防水涵洞的運(yùn)動狀態(tài)會發(fā)生改變，可能會從長期不受水壓的狀態(tài)轉(zhuǎn)變成長期有壓的狀態(tài)，壓力水頭、庫水位相等。若一直受到水壓力的作用，涵管結(jié)構(gòu)的一些薄弱之處會出現(xiàn)不同程度的疲勞損壞，再加上閘門在啟閉時(shí)會產(chǎn)生一定程度的水擊，極易引發(fā)涵管破裂現(xiàn)象。若放水涵洞的某一部分受到破壞，在設(shè)計(jì)水壓下，這一部位會不斷的向壩體滲水，再加上壩體正常的滲流，會直接影響到壩坡的穩(wěn)定性。對此，本文便引用有限元軟件Seep3D，對放水涵洞在不同位置發(fā)生的破壞情況進(jìn)行模擬，基于此，對放水涵洞破壞點(diǎn)位置可能給土石壩滲流、穩(wěn)定性帶來的影響進(jìn)行深入分析[1]。

2 工程實(shí)例

某水庫控制流域面積13km2，總庫容368 萬m3，主壩為均質(zhì)土壩，全長239.0m，壩頂寬5.0m，壩頂高程為79.5m，最大壩高25.1m。大壩上游壩坡為1:3；下游壩坡為1:2.5。水庫上游正常蓄水位76.75m，下游無水。放水洞位于土石壩底部.引用壩后閘門控制。因?yàn)槭褂昧溯^長的時(shí)間，其放水涵洞內(nèi)的涵管出現(xiàn)了不同程度的裂縫，裂縫部位向壩體滲水較為嚴(yán)重，再加上土石壩的正常滲流，直接影響到了土石壩的滲流、穩(wěn)定性。

3 建立滲流模型

3.1 建立限元模型

Seep3D 是一款專門圍繞真實(shí)三維滲流問題研發(fā)的有限元軟件。通過這一軟件的科學(xué)引用，能夠快速完成相應(yīng)模型的建立，準(zhǔn)確定義模型材料屬性、邊界條件。之后，再計(jì)算求解，這樣在三維界面就可以實(shí)現(xiàn)對等值面、流線等結(jié)果的查看。此外，通過剖析模型關(guān)鍵部位，引用專業(yè)數(shù)據(jù)處理工作便可以快速、精確的分析得到的結(jié)果[2]。

基于防水涵洞涵管的破壞位置存在隨機(jī)性，本文在分析中就從放水洞的入水口著手，假設(shè)每隔12m 會出現(xiàn)一個(gè)與壩軸線方向平行的，長1m、寬3m 的破壞點(diǎn)，建設(shè)一共會出現(xiàn)11 個(gè)破壞點(diǎn)，分析這時(shí)一種工況下土石壩的滲流與穩(wěn)定情況，并將分析結(jié)果與放水洞未發(fā)生破壞的情況進(jìn)行對比分析，以深入了解放水涵洞不同破壞點(diǎn)可能給土石壩滲流、穩(wěn)定帶來的影響。

為了給建模提供一定便捷，盡可能提升計(jì)算速度，在保障模擬精度的同時(shí)，合理簡化模型，本研究對下游反濾層、上下游護(hù)坡可能給滲流帶來的影響忽略不計(jì)?；趯?shí)際壩長239.0m 的考慮，基于放水洞兩側(cè)各18.65m 來進(jìn)行模型建立。

3.2 選定壩體材料參數(shù)

對于壩體滲流參數(shù)來講，一般都會涉及滲透系數(shù)、容重，還有抗剪強(qiáng)度等一系列物理、力學(xué)指標(biāo)。本文主要是基于工程地質(zhì)勘察、土工試驗(yàn)來慎重選擇的參數(shù)。表1 為材料物理力學(xué)參數(shù)。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

4 滲流穩(wěn)定分析

首先，對于臨界滲透坡降的計(jì)算來講，在具體分析中，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有數(shù)據(jù)，先將壩體允許滲透坡降值計(jì)算出來。若滲透力能夠做到對土顆粒之間的粘聚力、內(nèi)摩擦力的有效克服，土顆粒能夠進(jìn)入懸浮狀態(tài)時(shí)，其滲透比降便可以稱之為臨界滲透坡降[3]。

其次，對于滲流計(jì)算來講，在計(jì)算中可以明確出現(xiàn)流土的臨界滲透坡降為0.783。結(jié)合相關(guān)計(jì)算公式可以得出滲透坡降計(jì)算結(jié)果。結(jié)合表2、表3、表4 的差值可以明確，破壞點(diǎn)到放水洞入手口的距離若在76.08m 以內(nèi)，壩體的滲透坡降則在臨界滲透坡降以內(nèi)，大壩也不會因?yàn)闈B透而受到破壞或是出現(xiàn)變形，可以為土石壩的穩(wěn)定性提供一定保障。但距離若在76.08m 之上，壩體的滲透坡降便會超過臨界滲透坡降，進(jìn)而導(dǎo)致土石壩因?yàn)闈B透而受到不同程度的破壞。且隨著距離的不斷增加，土石壩模型的滲流量也隨之大幅度增加。此外，還要結(jié)合實(shí)際需求，科學(xué)引用土石壩滲漏高精度探測技術(shù)，如圖1 所示。

表2 滲流計(jì)算結(jié)果（一）

表3 滲流計(jì)算結(jié)果（二）

表4 滲流計(jì)算結(jié)果（三）

圖1 土石壩滲漏高精度探測技術(shù)

5 滲流破壞除險(xiǎn)方案

5.1 滲水除險(xiǎn)方案

針對一些比較嚴(yán)重的有害滲水，可以引用填筑壓實(shí)法、放淤固壩法，或者是機(jī)械吹填法來適當(dāng)?shù)募訉拤紊?，或者是做透水后戧。又或者是結(jié)合具體情況，在臨水側(cè)外邦進(jìn)行防滲斜墻的增建。還可以以垂直鋪塑等方式來進(jìn)行垂直防滲。而對于一些不會給壩坡抗滑安全帶來威脅，但卻會沖刷壩坡，破壞流土的滲水，可以引用透水后戧，或者是貼坡反濾等方案來除險(xiǎn)[4]。針對壩身滲漏進(jìn)行處理時(shí)需要采取上堵下排方法，針對滲漏出現(xiàn)原因進(jìn)行分析，做好現(xiàn)場情況分析工作，進(jìn)而采取有效措施。

（1）斜墻法。斜墻法其實(shí)就是在上游出進(jìn)行加固等處理，實(shí)現(xiàn)對原有防滲斜墻的處理。目前斜墻法主要適用于施工質(zhì)量不高。管涌塌坑等，通過對所使用的材料進(jìn)行分析，主要包含瀝青混凝土斜墻、土工膜防滲斜墻等。在使用瀝青混凝土斜墻時(shí)如果粘土土料不足，且具備適合的瀝青材料時(shí)，就可以在上游壩坡使用瀝青混凝土斜墻，在適應(yīng)壩體變形等的基礎(chǔ)上提升抗震能力。這一技術(shù)具有工期短、投資省等特點(diǎn)，并積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，所以目前瀝青混凝土處理滲漏問題已經(jīng)成為比較常見的技術(shù)之一。在使用土工膜防滲斜墻時(shí)土工膜材料主要以橡膠、瀝青、塑料為主，如果對土工膜的強(qiáng)度有著嚴(yán)格要求時(shí)可以使用尼龍布等作為加筋材料，通過一系列處理將其轉(zhuǎn)變成為復(fù)合土工膜。從優(yōu)勢上來講具有重量輕、運(yùn)輸量較小等特點(diǎn)，在耐腐性方面較強(qiáng)，施工便捷程度高，操作容易，能夠有效節(jié)約工程造價(jià)?，F(xiàn)如今土膜材料品種類型有了明顯增加，在運(yùn)用領(lǐng)域上也在不斷增加。

（2）充填式灌漿法。從優(yōu)勢上來講使用灌漿法時(shí)并不需要針對水庫進(jìn)行放空處理，可以在正常條件下開展施工工作，具有工程量較小，設(shè)備與技術(shù)要求并不復(fù)雜等特點(diǎn)，同時(shí)也可以進(jìn)行就地取材。

（3）防滲墻法。使用防滲墻法時(shí)需要使用專業(yè)的機(jī)具，針對實(shí)際情況完成造孔工作，隨后在孔內(nèi)增加防滲材料，最后在地基、壩體中形成防滲體，實(shí)現(xiàn)防滲目標(biāo)，如混凝土防滲墻、黏土防滲墻。在使用混凝土防滲墻時(shí)需要在土石壩壩軸線方向建造防滲墻，不僅可以將其建設(shè)在壩體部分，同時(shí)也可以進(jìn)入基巖下相應(yīng)深度，達(dá)到截?cái)鄩误w、壩基滲漏通道的效果。從優(yōu)勢上來講能夠適應(yīng)比較復(fù)雜的地質(zhì)條件，同時(shí)也可以避免對水庫進(jìn)行放空處理，施工質(zhì)量監(jiān)控比較便捷，耐久性較強(qiáng)。在黏土防滲墻中則是適用沖抓式打井機(jī)具，在防滲體中完成造孔，同時(shí)還需要使用黏性土料完成分層回填夯實(shí)工作，形成連續(xù)性粘土防滲墻。在進(jìn)行回填夯實(shí)工作時(shí)能夠?qū)谕翆舆M(jìn)行擠壓，同時(shí)也可以提升周邊土體的密實(shí)度，進(jìn)一步提升壩體質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)防滲加固目標(biāo)。黏土防滲墻法具有機(jī)械設(shè)備簡單化、施工便捷性、工藝簡單、工程量較小等特點(diǎn)，在防滲效果上也是較強(qiáng)的。

5.2 漏洞和跌窩除險(xiǎn)方案

對于漏洞和跌窩來講，一般都是因?yàn)樯锒囱ǘ霈F(xiàn)的，在汛前通常都難以做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)，但在汛期這種險(xiǎn)情的發(fā)展速度一般都比較快，再加上壩身斷面十分有限，所以帶來的危害也是非常大的，搶險(xiǎn)也會遇到諸多困難。所以，為了能夠盡可能做到防患于未然，在汛前要定期巡查、探查漏洞和跌窩，在開挖后，及時(shí)的做好回填加固處理，若開挖存在一定難度，可以通過充填灌漿的方式來有效處理。

5.3 集中滲漏除險(xiǎn)方案

針對壩身、穿壩建筑物基礎(chǔ)接觸面的集中滲漏，可以在臨水側(cè)引用靜壓注漿，或者用高噴注漿的方式來進(jìn)行垂直防滲處理。又或是在接觸面，引用靜壓注漿的方式來做好處理。若有必要，可以針對透水面來做反濾，以加強(qiáng)保護(hù)。對于壩身、建筑物側(cè)墻間的集中滲漏，在具體處理過程中可以引用接觸面靜壓注漿的方式來完成。對于新老壩身結(jié)合的水平層面出現(xiàn)的集中滲流來講，在具體處理中，可以在臨水側(cè)，以開挖回填封堵，或者是接觸面充填灌漿的方式來進(jìn)行。壩分段建設(shè)的結(jié)合部位若發(fā)現(xiàn)集中滲流情況，在實(shí)際處理中可以結(jié)合具體情況，在臨水側(cè)截滲，或者是對結(jié)合部擠密灌漿等方式來達(dá)到除險(xiǎn)目的。若存在必要還可以結(jié)合實(shí)際情況，在背水坡，以反慮保護(hù)的方式來達(dá)到除險(xiǎn)效果。對于具體選擇哪一除險(xiǎn)方案，還是要對滲流滲透的計(jì)算結(jié)果的分析，在保障除險(xiǎn)效果的基礎(chǔ)上，從工程管理、經(jīng)濟(jì)，還有環(huán)境影響等諸多方面的綜合考慮下，選擇成本較低、更科學(xué)有效的方案。

6 結(jié)語

綜上所述，通過對均質(zhì)土石壩放水涵洞滲流與穩(wěn)定分析可以明確，放水涵洞在受到破壞后，會直接影響到大壩，不僅會導(dǎo)致壩體浸潤線太高，下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不斷降低，還會導(dǎo)致壩體內(nèi)部最大滲透坡降超過臨界滲透坡降，進(jìn)而導(dǎo)致土石壩出現(xiàn)滲透。因此，為了給水庫大壩的穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障，在實(shí)際運(yùn)行中一定要密切監(jiān)測，聯(lián)系實(shí)際作出全面分析，一旦發(fā)現(xiàn)放水涵洞受到破壞后，要及時(shí)采取有效措施進(jìn)行加固處理。