水庫大壩滲流穩定分析及加固設計

呂遠坤

（新疆維吾爾自治區塔里木河流域喀什管理局，新疆喀什844700）

水庫大壩滲流穩定分析及加固設計

呂遠坤

（新疆維吾爾自治區塔里木河流域喀什管理局，新疆喀什844700）

滲流是指水在大壩壩體縫隙中的流動，其流動特性與滲流骨架的混凝土性質有關。由于水壩十分龐大，各部位受外界因素的影響力度不同，因此壩體內部的孔隙大小形狀十分復雜，很難計算出水流質點的真實流速。所以工程上一般用綜合性參數表征其滲流性質?；趧萘骼碚撝械目挛?黎曼方程，建立了大壩流固耦合模型，利用多種方法計算水庫大壩滲流穩定性安全系數，對其進行滲流穩定性分析。并提出套孔沖抓回填式防滲墻、深層攪拌防滲墻等加固方案的原理及適用條件，希望為今后水庫大壩加固設計提供幫助。

水庫大壩；滲流；穩定性

研究表明，水庫大壩病害主要是由壩體密實度較差和抗滲能力不足引起的。常見的病害形式有：壩體滲漏、蟻洞滲漏、涵洞滲漏、繞壩滲流、壩基滲流等。滲流是指水在大壩壩體縫隙中的流動，其流動特性與滲流骨架的混凝土性質有關，圖1即為壩體內部的水平裂縫。由于水壩十分龐大，各部位受外界因素的影響力度不同，因此壩體內部的孔隙大小形狀十分復雜，很難計算出水流質點的真實流速。目前認為水庫大壩的滲流規律滿足達西定律，所以工程上一般用綜合性參數表征其滲流性質［1-2］。修筑水庫大壩時必須控制壩身和地基的滲流，防止土體發生沖蝕損害、護坡發生滑坡破壞。

圖1 壩體內部的水平裂縫

基于勢流理論中的柯西-黎曼方程，建立了大壩流固耦合模型，利用多種方法計算水庫大壩滲流穩定性安全系數，并對其進行滲流穩定性分析。滲流計算的主要目的在于求解出滲流場內的滲流量、孔隙壓力、坡降、水頭損失等參數。依據這些參數設計排滲方案和加固措施。為了保證水庫大壩的安全，本文提出了套孔沖抓回填式防滲墻、深層攪拌防滲墻等加固方案，并給出各方案的加固原理及適用條件。

1 水庫大壩滲流分析方法

總體而言，水庫大壩滲流分析方法可分為流體力學法和水力學法。流體力學法基于滲流邊界條件求解滲流問題，計算精度很高，可以計算出大壩滲流場中任意一點的滲流水頭、滲透壓力、流動損失、坡降、流速、滲流量等［3］。水力學法基于滲流條件對滲透方程進行簡化，采用平均流線法和矩形替代法進行求解，計算過程較為簡單，但是只能得出某一截面的滲流參數，誤差較流體力學法大。

本文基于滲流區域流線和等勢線形狀，設勢函數Φ=kh，則有：

根據勢流理論中的柯西-黎曼方程，滲流中必定存在一個流函數Ψ，并滿足：

對（2）式中的兩邊分別對x、z求導，得出：

由此可見滲流勢函數和流函數是共軛的，其共同的解析解即為流網。通過流網可以得出滲流量、大壩內部的孔隙壓力、坡降等。壩體內部滲流運動的質量力、表面力可利用納維斯-托克斯方程、流體力學方程組進行求解。基于達西定律，大壩空間內的二維滲流速度在坐標軸方向的分量為［4-5］：

將3個坐標軸方向的速度帶入滲流連續方程，得出滲流微分方程為［6］：

式中：h—水頭，m；kx、ky、kz—x、y、z方向的質量力，N。

如果是各向同性的，即；kx=ky=kz，則Laplace方程可進一步簡化為：

2 滲流穩定安全系數

當大壩內部有滲流存在時，在超靜水壓力的作用下，土體的含水率將增加，抗剪強度變差，因此容易產生邊坡失穩。與巖土力學中的穩定性分析一樣，大壩滲流穩定分析也可分為總應力法和有效應力法2種。可以通過上述理論得出孔隙水壓力，就應當采取有效應力法。因為使土體變形的是有效應力，所以研究孔隙壓力對大壩穩定性的影響時，只考慮自由面以下的水壓力?；趪庋芯壳闆r，本文給出了替代容重法和Bishop法的安全系數計算方法。

替代容重法廣泛應用于水庫大壩穩定性分析，是由瑞典法簡化而來。計算自由面以下土體時，利用浮容重代替飽和容重。與瑞典法相比，替代容重法中無孔隙水壓力項，只適用于坡度平緩的大壩。穩定安全系數為：

式中：li—土條長度，m；bi—土條的寬度，m；γ—容重，kg/m3；h1i—自由面以下高度，m；γ＇—土的浮容重，kg/m3；h2i—自由面以上高度，m；Wi—土條的重量，kg。

Bishop法不計土條間的切應力，此方法得出的穩定安全系數為：

式中：mθi—計算系數。

基于ANSYS有限元軟件建立數學模型，圖2即為水庫大壩模型平面布置圖。

圖2 水庫大壩模型平面布置

在滲流模型下，穩定性擾動都是瞬間出現的，但是滲流作用時間一般都很長，最長可達幾十小時。依據上述分析，水庫大壩病害主要是由于滲流引起的，首先建立大壩的初始狀態，利用ANSYS計算得到水位上升后的豎向應力分布云，如圖3所示。

圖3 大壩水位上升后的豎向應力云

由圖3可以看出，水位上升后，豎向壓力分布自上而下依次降低，呈中間低兩邊高的趨勢。研究表明，滲流通道不同、滲流量不同，豎向應力分布也不相同。水位上升后，應力明顯增加，說明水位高度影響著壩體穩定性。

3 水庫大壩加固設計

通過對水庫大壩滲流分析、穩定性安全系數計算和ANSYS數值研究，得出隨著水位的增加，豎向應力值也會隨之增加，大壩內的滲流量增加。水位升高后，滲流路徑的位置相對提高。據對水庫大壩滲流穩定性的研究，提出以下2種加固方案。

3.1 套孔沖抓回填式防滲墻

套孔沖抓回填式防滲墻是利用沖抓鉆頭鉆孔，并回填粘性較大的土，夯實后就可以形成不間斷的防滲墻。本方案涉及的機械設備簡單，對現場無特殊要求，主要設備有：沖抓機、抓瓣式鉆頭、馬蹄式夯錘等。其防滲效果良好，經過夯實后的黏土密度很大，滲透系數很小，對周圍的壩體有擠壓作用。摻合少量的水泥可以改善黏土的力學性能，使其防滲效果更好。

3.2 深層攪拌防滲墻

深層攪拌防滲墻是利用攪拌機將水泥等材料送到地下進行攪拌，使其與沙土充分拌合，硬化后形成水泥土樁體。水泥土樁體組成的防滲墻即深層攪拌防滲墻。此墻的質量很好，墻體較厚，均勻性良好。此方案施工期短，造價低，適用于土壩或者軟基壩的加固。

4 結語

由于水壩十分龐大，各部位受外界因素的影響力度不同，因此壩體內部的孔隙大小形狀十分復雜，很難計算出水流質點的真實流速。所以工程上一般用綜合性參數表征其滲流性質。基于勢流理論中的柯西-黎曼方程，建立了大壩流固耦合模型，利用多種方法計算水庫大壩滲流穩定性安全系數，并對其進行滲流穩定性分析。得出隨著水位的升高，豎向應力明顯增加。并基于滲流穩定理論提出套孔沖抓回填式防滲墻和深層攪拌防滲墻2種大壩加固方案。希望為今后水庫大壩防滲流研究提供幫助。

［1］沙成剛.基于Geo-Studio的土石壩滲流與穩定分析研究［D］.蘭州理工大學，2014.

［2］程偉平.動態模型在土石壩長期滲流穩定性分析中的研究［J］.水力發電學報，2005（04）：84-88.

［3］崔立軍.陡河水庫大壩滲流觀測資料穩定分析［J］.黑龍江水利科技，2013（10）：66-68.

［4］王海青.水庫大壩滲流及穩定分析實例綜述［J］.黑龍江水利科技，2012（12）：157-158.

［5］焦建華.水利水電工程設計中滲流計算的探討［J］.水利技術監督，2007（05）：46-48.

TV641

A

1672-2469（2015）12-0099-02

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.12.034

呂遠坤（1979年—），男，工程師。