灰壩加高條件下滲流與應力穩定分析

2016-03-23 00:28:42李景娟謝羅峰段祥寶

中國農村水利水電 2016年6期

李景娟，謝羅峰，段祥寶

(1.南京水利科學研究院，南京 210029；2. 河海大學水利水電學院，南京 210098；3. 水文水資源與水利工程科學國家重點試驗室，南京 210029)

榆樹溝灰場是山西省樟澤發電廠用于貯灰并利用粉煤灰淤地造田的山谷型灰場，機組除灰均采用水力除灰方式。灰場的工程規模為小(一)型灰場，工程等別為Ⅳ等，灰場屬于永久性建筑物中的主要建筑物，工程等級為4級。初期壩于2007年年初投入運行，灰場初期庫容105萬m3，壩底高程895 m，壩頂高程920 m，壩長300 m，壩頂寬5 m。初期壩外坡坡度1∶2.75，內坡坡度1∶2.5，壩腳設堆石棱體，壩基設排水褥墊，上游壩面設貼坡反濾層，下游壩面設干砌石護面。初期壩壩體距下游村莊約320 m。自灰場運行以來，基本每年都加筑加高子壩，至2013年11月已加高至五級子壩，各級子壩均高為4 m，壩頂高程為935 m，現仍在運行中。運行7年時間，從未進行任何有關安全性評估工作。近年隨著農村的擴建，壩體距民宅已不足300 m，為了下游居民的安全，有必要對灰壩進行應力變形和滲流安全分析，從而預測灰面高程增加的可行性。

1 地質概況與地震

灰場范圍谷坡地層大部分為第四系上更新統(Q3)黃土(粉土)、中更新統(Q2)棕紅色黃土(粉質黏土)，局部出露石炭系泥頁巖與砂巖地層。泥頁巖地層滲透系數較小，預測水力貯灰場運行后整體不會產生太大的滲漏。灰場范圍內地下水為石炭系砂巖裂隙水和灰巖裂隙溶隙水，局部出露石炭系的灰巖，滲透系數較大，因出露面積局部分布于壩址區，為防滲可以用黏土鋪墊或用水泥漿噴抹。地質剖面如圖1所示。

該灰場的工程抗震設防類別為丁類。根據《中國地震動峰值加速度區劃圖》(GB18306-2001)，灰場地震動峰值加速度為0.10 g(對應地震烈度為Ⅶ度)，地震動反應譜特征周期0.40 s。

2 安全監測儀器布設及觀測結果

根據規范要求結合灰場實際地形地質條件，在該灰場東側穩定區域設有3個沉降基準點，5個位移基準點，8個位移觀測點，沉降觀測點均勻布設在位移觀測點基礎上，共計8個，壩頂部5個，下部馬道3個，與東側沉降基準點組成水準網形，2009年在子壩處又加了7個監測點。

圖1 壩體最大斷面0+150Fig.1 The most dangerous section 0+150 of the dam

從灰壩的7 a沉降觀測可知，測點H4的總沉降量最大，累積沉降量為299.4 mm，其中年沉降量最大值為79.7 mm，是由于該年多雨季節導致整個壩體沉降量較之前幾年明顯加大，但是量值小，沉降趨于穩定。馬道處的水平位移和沉降基本不變，位于壩頂的測點H5水平位移最大為16 mm，指向壩外，而H6、H7、H8水平位移最大為19 mm，指向庫內，說明初期壩壩頂可能存在拉裂縫[1]。

3 滲流有限元計算分析

灰壩自運行以來，壩體壩基無明顯滲漏。壩體前壩坡設混凝土護坡，同時由于風浪的沖刷，作為壩體的防滲體面板有個別斷裂，表層的橡塑油膏脫落，嵌縫止水個別發生分離。現場查看壩后段情況可知，壩體滲漏量較小，在可控范圍內。

由于在滲流計算時，壩體內自由面或浸潤面未知，因此計算按非穩定滲流考慮，計算時將浸潤面以上的非飽和區以及自由面以下的飽和區同時予以考慮，計算所得的零孔隙壓力線即為浸潤線。計算時對壩底排水褥墊及壩腳排水棱體的滲透系數根據以往經驗選取，庫內灰渣由于沉積容易形成滲透的各向異性，一般是水平向滲透系數大于垂直向滲透系數，參考試驗結果及地質勘查資料選取(見表1)。

將計算結果與已有的測壓管實測值進行對比(圖2中已標出測壓管實測值)，擬合情況與實測情況相近，誤差在3%以內，說明該計算模型與參數的選取合理，可用該模型來預測子壩加高后的滲流安全性態。計算選取最大斷面0+150(見圖2和圖3)。

表1 各土層物理力學參數Tab.1 The physical parameters of each soil layer

圖2 0+150斷面五級子壩等勢線分布圖Fig.2 The equipotential line of the 0+150 fifth stage dam

圖3 0+150斷面六級子壩等勢線分布圖Fig.3 The equipotential line of the 0+150 sixth stage dam

從0+150斷面的流場可以看出，在無干灘運行條件下五級子壩內浸潤線位置也不高，現場觀測時也未見到壩體下游有滲水，而且壩腳排水棱體里的出滲量也較小，說明目前為止壩體滲流穩定是安全的。初期壩上游貼坡排水體與壩底排水褥墊的功能十分重要，對于降低壩體浸潤線起著主導作用，因此在貯灰場的運行過程中，要確保上游貼坡排水與壩基排水褥墊及坡腳排水棱體有效的工作。由滲流計算結果可知，壩體下游滲透坡降小于允許滲透比降，五級子壩時單寬滲流量為5.6×10-5m3/(s·m)，加高至六級子壩時滲流量為5.5×10-5m3/(s·m)，差異不大。壩面高程繼續增加時，可考慮在子壩前鋪設一定長度的干灘，能有效降低貯灰區的浸潤線，以防子壩下游坡大面積出逸[2]。

4 滲流作用下應力計算分析

將SEEP計算結果代入SIGMA中來分析體內應力分布規律與變形成因，根據現有的試驗參數結果，結合變形監測資料，利用Geo-Studio SIGMA模塊彈塑性模型，對土壩內部應力進行數值模擬計算[3]。

灰壩壩體內部有無裂縫產生可采用傾度法計算，設壩體某一平面上任意兩點的總沉陷差為Δh，兩點間的距離為ΔL，兩者的比值為傾度d，即：

(1)

傾度d實質上是兩點間的不均勻沉陷斜率。當傾度d大于A、B間土體的破壞臨界傾度dc時，即表明在兩點之間可能產生裂縫。經過國內幾十座土石壩的調查分析，當傾度d小于1%時壩體不會產生裂縫，在1%～2%之間時壩體可能會有裂縫產生，大于2%時壩體會有裂縫產生[4]。

圖4和圖5給出了現狀五級子壩及加高至六級子壩后的壩體內部變形分布，壩頂處水平變形一側指向庫內，一側指向壩外，產生裂縫的可能性較大，根據傾度法可知，斷面0+150目前最大傾度為0.34%，加高至六級子壩時最大傾度為0.79%，壩體不會產生裂縫，說明施工時對壩基的濕陷性黃土處理得比較徹底，上下游濕陷的時間與量值差異小，不均勻沉降小，不至于產生裂縫。

圖4 五級子壩變形云圖Fig.4 The deformation contour of the fifth stage dam

圖5 六級子壩變形云圖Fig.5 The deformation contour of the sixth stage dam

5 滲流作用下邊坡穩定計算分析

5.1 靜力穩定計算

貯灰場壩坡靜力穩定分析采用簡化畢肖普法。本次計算采用Geo-Studio SLOPE模塊的等效線性模型，計算時將SEEP模塊算得的孔隙水壓力及浸潤線等結果代入SLOPE模塊來進行極限平衡抗滑穩定計算。

計算結果如表3所示，五級子壩在無干灘情況下正常運行的最小抗滑穩定系數為2.01，加高至六級子壩時最小抗滑穩定系數稍有降低為2.00，說明壩體目前是穩定的，不會出現整體滑動現象。

5.2 動力計算

動力計算根據《水工建筑物抗震設計規范》的要求采用擬靜力法。擬靜力法是將壩體各點地震動力作用所引起的慣性力作為靜力作用在質點上計算抗滑穩定性，方法簡單，但是難以反映土壓力的分布和土體的動力特性。本次地震模擬采用Geo-Studio QUAKE模塊，運用等效線性模型模擬出灰壩在地震前的初始應力狀態，然后在動力分析中輸入唐山遷安地震記錄曲線，持續時間取振幅較大的10 s，計算時將其最大加速度調整到0.1 g，設計反應譜特征周期為0.4 s，只考慮水平方向的地震波作用[5](見圖6)。

圖6 地震加速度進程曲線Fig.6 Horizontal acceleration earthquake record

邊界條件為：壩基底部水平、豎直方向均約束，壩基兩側豎直方向約束，正常蓄水位932.0 m。

由動力法對貯灰壩地震情況的模擬可知，地震引起的最大水平位移為48 mm，整個初期壩體發生液化的可能性不大，但是上游堆灰處密實度不足，在地震工況下孔隙水壓力上升，土體有效應力降低，土體處于懸浮狀態以至于變形增大，而地震引起的超靜孔隙壓力不能及時消散導致粉煤灰噴水冒沙產生液化，下游壩體壩基產生液化可能性不大[6](見圖7和圖8)。