某病險土石壩加固前后的滲流與壩坡穩定分析

黃 靖，陳 群，呂洪旭

(四川大學水利水電學院，四川 成都 610065)

1 前 言

滲流是土石壩的固有特性，是伴隨水庫的蓄水運行而發生的。土石壩建成蓄水后，如果壩料的物理力學指標不當，壩體的浸潤線過高，滲漏的逸出點過高，導致滲流從下游壩坡面溢出，下游壩體大片呈濕潤狀態，并且隨著時間的延長，壩身土體逐漸飽和軟化，甚至在坡面上形成分布較廣的細小水流，嚴重的產生表面流土，或引起壩坡滑塌等失穩現象，進而危及到整個土石壩的安全［1］。

本文主要針對某土石斜墻壩由于斜墻和砂石料的滲透系數相差不大而導致壩體浸潤線過高的情況，對該土石壩存在的滲流問題及滲流對下游壩坡的不良影響，采取了設置粘土防滲墻的防滲措施，再利用Geostudio2007軟件對該土石壩穩定滲流期進行有限元分析，對設置防滲墻前后的滲流場和壩坡穩定性進行對比分析，驗證了用防滲墻加固后對壩體滲流和穩定性的改善作用。

2 計算原理

2.1 滲流計算原理

本文是以水頭h的分布作為研究對象，將土石壩滲流問題簡化為二維滲流問題(x－z垂直剖面)。將達西定律導入二維滲流連續方程便得到下式［2］:

式(1)為二維非均質各向異性穩定滲流場的基本微分方程式，kx、kz分別為x和z方向的滲透系數。

2.2 邊坡穩定分析方法

采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普法對壩坡的穩定性進行分析。采用有效應力法分析時，畢肖普法的安全系數 Fs為［3］:

式中 Wi——土條的重量;

αi——土條重力線與通過此土條底面中點的半徑之間的夾角;

c′i，φ′i—— 分別為土條的有效粘聚力和內摩擦角;

bi——土條的寬度;

ui——土條底部各弧面li中點的孔隙水壓力。

式(2)中左右兩邊都含有安全系數Fs，因此需經迭代求解Fs值。

3 計算方案及參數

某水庫樞紐工程由主壩、石拱副壩、砂石副壩、土石副壩、放水閘、放水口及溢洪道組成。該水庫工程等級為三等，主要建筑物為3級。校核洪水為1000年一遇，校核洪水位438.57 m;設計洪水為100年一遇，設計洪水位437.94 m;正常蓄水位和死水位分別為436.14 m和428.50 m。

本文選取該工程的土石副壩進行計算分析。該土石副壩為黏土斜墻土石壩，壩基高程為423.50 m，壩基為不透水基巖。壩頂高程 439.85 m，最大壩高16.7 m，壩頂長42.0 m，壩頂寬5.6 m。黏土斜墻頂高程與壩頂同高。壩體內壩坡坡比為1∶1.9～1∶2.75，外壩坡坡比為 1∶2.0～1∶3.5。排水棱體頂高程為427.20 m。該壩存在的病險情況主要有:左壩肩下游有濕潤區，存在繞壩滲漏;壩頂及內、外壩坡不平整;下游壩面出現大面積散浸，實測浸潤線位置較高;存在白蟻建巢危害。該土石壩的最大剖面如圖1所示。

圖1 土石壩的最大剖面(無防滲墻時的計算簡圖)

針對該斜墻壩存在的滲流問題及滲流對下游壩坡穩定性的不良影響，在壩軸線處設置了黏土防滲墻，防滲墻的寬度為0.8m，滿足抗滲要求，并澆筑混凝土防滲墻深入壩基4m。

3.1 滲流計算模型的網格劃分及邊界條件

本文基于該土石斜墻壩的最大剖面利用SEEP/W程序進行穩定滲流分析。設置防滲墻前后的計算模型簡圖分別如圖1和2所示，在計算時對模型進行三角形自由網格剖分，計算模型的有限元網格見圖3。

圖2 有防滲墻時的計算模型簡圖

計算模型的邊界條件如圖3所示，迎水面上游水位以下設為定水頭邊界，以上為不透水邊界。背水面430.10m高程以上為不透水邊界。以下設為可變邊界，當計算的水頭小于該高程時，為不透水邊界;當水頭大于該高程時，為與高程相等的水頭邊界。壩頂和壩基均為不透水邊界。

3.2 滲流計算方案

對正常運用條件(正常蓄水和設計洪水)和非常運用條件(校核洪水)的各種水位以及相應下游水位時壩體的穩定滲流場進行分析。滲流計算的工況如下:(1)正常蓄水位436.14m;(2)設計洪水位437.94m和(3)校核洪水位438.57m。

3.3 滲流計算參數選擇

圖3 計算模型的有限元網格圖

計算時，由于主要考慮的是斜墻和砂石區中的浸潤線對下游壩坡的影響，因此，砂壤土保護層取與砂石料相同的參數;黏土鋪蓋和黏土護坡取與黏土斜墻相同的參數。壩料的飽和滲透系數通過室內滲透試驗得到，計算所用的飽和滲透系數見表1。

表1 壩料的飽和滲透系數及物理力學指標

在穩定滲流過程中，壩料中可能存在非飽和土體，因此要考慮在非飽和土中滲流作用的影響。非飽和土中的滲透系數不是一個常數，它是非飽和土含水量或基質吸力的函數。

對于砂石料和黏土斜墻的滲透函數，由以下方法求出:用Fredlund等［4］提出的由級配曲線預測土水特征曲線的方法推求壩料的土水特征曲線，再由土水特征曲線和飽和滲透系數推算滲透函數。砂石料和黏土斜墻的級配曲線如圖4(a)所示，推求的滲透函數曲線如圖4(b)所示。

圖4 砂石料和黏土斜墻的級配曲線和滲透函數曲線

3.4 滲流作用下的下游壩坡穩定分析

該土石斜墻壩穩定滲流期的下游壩坡抗滑穩定分析，采用規范規定的簡化畢肖普法;由于建筑物等級為3級，查SL274－2001《碾壓式土石壩設計規范》［5］可知，在正常運用條件下，壩坡抗滑穩定安全系數最小允許值為1.3;在非常運用條件I下，壩坡抗滑穩定安全系數最小允許值為1.2。

本次分析選取與滲流計算相同的剖面，采用有效應力法在Geostudio2007的SLOPE/W程序中對下游壩坡在有無防滲墻時進行抗滑穩定性分析計算。有效應力法所需用的孔隙水壓力值為有限元滲流計算所得的孔隙水壓力值。

壩坡穩定計算與滲流計算做類似的處理:砂壤土保護層取與砂石料相同的物理力學指標;黏土鋪蓋和黏土護坡取與黏土斜墻相同的物理力學指標。

4 計算結果及討論

圖5、6、7分別為三種工況下的浸潤線位置及孔隙水壓力圖。孔隙水壓力為0的曲線為浸潤線。從三圖中可以看出，壩體被浸潤線分為兩個區域，浸潤線以下為飽和區，其孔隙水壓力為正;浸潤線以上為非飽和區，其孔隙水壓力為負。無防滲墻時，由于斜墻土料的滲透系數在10－5cm/s量級，防滲性能較差;砂石料的滲透系數在10－4cm/s量級，兩者的滲透系數只相差一個量級，因此下游壩殼中浸潤線的位置較高，水流從下游壩坡逸出。浸潤線位置受上游水影響，水位越高，壩體中的浸潤線也越高。在壩軸線處設置了防滲墻后，在防滲墻前，浸潤線位置基本與上游水頭持平;浸潤線幾乎完全是在防滲墻段急劇降落;在防滲墻后，各種工況下的浸潤線位置主要受下游水位的控制變化不大;浸潤線在下游壩殼中位置非常低，尾部進入壩基，水流未從下游壩坡逸出。

圖5 正常蓄水位時的浸潤線位置及孔隙水壓力等值線

圖6 設計洪水位時的浸潤線位置及孔隙水壓力等值線

圖7 校核時洪水位的浸潤線位置及孔隙水壓力等值線

表2列出了在各種工況下設置防滲墻前后的壩體的單寬滲流量。從表2中可以看出，在設置防滲墻前后，各種工況下的單寬滲透流量都隨著水位的逐漸升高而增大，但是無防滲墻時的滲流流量明顯比有防滲墻時大很多，說明防滲墻的防滲作用十分明顯。

表2 滲流計算結果 m3/d

表3列出了各種工況下的壩坡穩定最小安全系數及允許值。從表3中可看出，在設置防滲墻前后，各種工況下的安全系數都隨著水位的升高而逐漸減小，但是在三種工況下設置防滲墻前的最小安全系數Kmin均不滿足規范要求，而設置防滲墻后最小安全系數Kmin均滿足了規范要求，說明所采取的黏土防滲墻的防滲措施取得了良好的效果。

表3 各種工況下壩坡穩定最小安全系數及允許值

圖8為正常蓄水位時下游壩坡的最危險圓弧。由圖可知，無防滲墻時下游壩坡的最危險滑面橫穿壩體的浸潤線，在浸潤線以下有較長的滑面，導致下游邊坡的穩定性降低。設置防滲墻后，下游壩殼中的浸潤線降低，計算所得的最危險滑面遠高于浸潤線，這對下游壩坡的穩定是有利的。無防滲墻時下游壩坡的最小穩定安全系數為1.290(見表3)，不滿足規范的要求;設置了防滲墻后的最小穩定安全系數為1.404，滿足規范的要求，下游壩坡的穩定性增大。同樣，設計洪水位及校核洪水位時下游壩坡的抗滑穩定分析也得出類似的結論。

圖8 正常蓄水位時下游壩坡最危險圓弧

5 結 論

本文通過對某病險水庫土石壩設置黏土防滲墻的防滲措施前后，在三種不同工況條件下進行滲流計算和下游壩坡的抗滑穩定分析，得出了下述結論:

(1)無防滲墻時，由于壩殼和斜墻料的滲透系數只相差一個量級，下游壩體浸潤線位置較高，水流從下游壩坡逸出;在壩軸線處設置防滲墻后，浸潤線在防滲墻內急劇降落，在下游壩殼中位置非常低，有利于壩坡穩定。

(2)無防滲墻時的單寬滲流量明顯比有防滲墻時大很多，說明防滲墻的防滲作用十分明顯。

(3)在設置防滲墻前，下游壩坡的抗滑穩定最小安全系數Kmin均不滿足規范要求。設置防滲墻后，最小安全系數Kmin均滿足了規范要求，說明所采取的黏土防滲墻的防滲措施取得了良好的效果，有效地降低了下游壩殼中的浸潤線，保證了下游壩坡的穩定性。

［1］高興民.土石壩壩身滲漏破壞的原因及處理方法［J］.水利科技與經濟，2008，14(1):68 －69.

［2］張克恭.土力學［M］.北京:中國建筑工業出版社，2001:54－55.

［3］楊進良.土力學［M］.北京:中國水利水電出版社，2006:219－221.

［4］Murray D Fredlund，D G Fredlund，GW W ilson.Prediction of the soil－water characteristic curve from grain－size distribution and volume－mass properties［C］∥ Proceedings of the 3rd Brazilian Symposium on Unsaturated Soils.Rio de Jneiro，22 －25 April，1，1997:13－23.

［5］SL274－2001《碾壓式土石壩設計規范》［S］.北京:中國水利水電出版社，2001.