土石壩防滲加固效果的有限元分析

張水珠

(福建京源建設工程有限公司　福建　寧化　365400)

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土石壩防滲加固效果的有限元分析

張水珠

(福建京源建設工程有限公司福建寧化365400)

摘要運用SEEP/W有限元軟件，結合岳城水庫具體工程實例，對土石壩防滲加固效果進行了詳實分析。結論表明：依據對加固防滲影響大小的不同影響因素進行排序，順序為防滲墻滲透系數、水位變化、防滲墻墻頂高程、防滲墻埋深；這些因素可歸納為水庫本身、基礎工程地質環境和防滲墻三類，是實際施工設計應關注的焦點所在。

關鍵詞土石壩；防滲加固；SEEP/W模型；有限元分析

根據相關數據統計顯示，在已發生的土石壩事故中，超過四成是由于滲透破壞而造成，因此滲流問題也就成為了保障土石壩安全的關鍵所在。運用先進的計算機軟件，對壩體防滲加固效果進行有限元分析，既可以對具體的實際施工進行有效指導，避免資源的無端浪費，又可縮短施工周期，成為提升施工質量的有效輔助手段。

1　工程概述

1.1水庫概況

岳城水庫位于河北省邯鄲市磁縣境內，是當地居民用水主要采集地之一，工程等級為Ⅲ等。水庫修建于上世紀八十年代，水庫集水面積11km2，庫容總量4300萬m3，興利庫容約3700萬m3，正常蓄水位5.6m。岳成水庫底部的平均高程為1.5m，壩頂高程在7.04m。圍堤總長度為15.19km，大壩寬度為7m，水庫大壩頂部防浪墻高程在8.2m。圍壩上下游堤坡比均為1∶3，上游采用漿砌石護坡，下游采用草皮護坡。堤身均為碾壓式均質土堤，主要成分為粘土，具備一定壓縮性（中等）；堤身各段透水性分布不均勻，堤壩多處呈弱～微透水性，但也有個別區域達中高等透水性。

1.2防滲加固工程概述

岳城水庫自建成投入使用以來已二十多年，這一過程中逐漸顯現一些質量弊病，對水庫的正常運行造成嚴重的威脅。特別是圍堤滲漏問題，不僅下游一級、二級馬道與戧臺面存在程度不一的積水現象，浸潤線溢出點均偏高并發生過多次管涌問題；除此之外，堤基和堤身連接區域的土層滲透系數也出現異常，滲流嚴重，堤坡甚至存在明流現象。滲流不僅影響到了大壩的安全運行，而且間接造成了下游明渠的損毀，損毀率高達近七成。針對這一情況，工程設計采用防滲墻方式對水庫大壩進行防滲加固，防滲墻形式采用高壓噴射灌漿的方式形成全封閉的防滲墻結構。其技術原理在于運用高壓射流切割地層，并將高壓漿液與地層充分混合膠結，改良地層原有的結構與特性。

采用擺噴折線型進行噴漿作業，灌漿材料采用普通水泥粘土和膨潤土；設計形成防滲墻厚度為0.3m，偏角與擺角分別為10°、20°，最終形成的灌漿防滲墻防滲系數應低于5.0×10-7cm/s，同時結合施工場地實際情況決定將防滲墻布設在堤頂下游堤肩處，并確保墻體底部嵌入土層內1m以上。

2　防滲加固效果分析

圖1　7+000土層分布及防滲墻測壓布置示意圖

表1　7+000斷面土體性質概況表

圖2　SWWP/W模型示意圖

文章借助有限元軟件SEEP/W，以岳城水庫圍堤防以7+000斷面實際工程參數為基礎，對圍堤防滲加固的不同影響要素的影響性和水庫原有設計方案合理性展開分析，下文描述時將防滲墻面向水庫一側成為上游側，將水庫背向水庫一側稱為下游側。7+000斷面基本情況如圖1所示。

2.1模型構建

SWWP/W模型建立可結合上圖1（7+000斷面示意圖）和下表1（斷面土體性質概況）。縮減模型范圍上游自庫底中心段開始至下游截滲溝，距上游邊界80m，距下游邊界75m。所建模型寬度為150m，高56m，地面邊界高程- 50m。模型單位厚度為1m。所建立模型如圖2所示。

2.2防滲墻滲透系數對防滲效果的影響性

為充分辨析滲透系數對防滲墻防滲效果的影響，維持其他條件相同的情況下，設置四組不同的滲透系數：其一，不透水情況滲透系數0；其二，防滲墻設計滲透系數5.0× 10-9cm/s；再者，為驗證防滲墻性能設置兩組10×10-9cm/s和20×10-9cm/s。其對防滲墻滲透性的影響如圖3、圖4所示。

圖3　不同滲透系數時防滲墻下游側總水頭變化曲線

圖4　防滲墻設置后與設置前滲流量比值

通過圖3分析可知，伴隨防滲墻滲透系數的減小，下游水頭總體上呈線性降低；而且整個過程中水頭變化幅度較大，這表明滲透系數對于防滲墻防滲效果影響顯著，滲透系數越小越有利于防滲。

通過圖4可知，布設防滲墻厚，圍堤滲流量大幅下降，縮減至防滲墻布設前的1/6 ～1/3，這表明防滲墻起到很好的加固防滲效果。同時，隨著防滲墻滲透系數的增加，圍堤滲流量呈現出線性增加，這表明防滲墻透水性越低，防滲效果越佳，兼顧施工技術因素與經濟成本，墻體滲透系數選擇設計值為宜。

2.3防滲墻埋深對防滲效果的影響性

在其他條件不變的前提下，設置三組不同埋深（5m、10m和15m），就埋深對防滲墻防滲效果進行對比分析。其分析結果如圖6所示。

圖5　不同埋深時滲流量變化曲線

圖6　不同水位時防滲墻下游總水頭變化曲線

通過對圖6的分析可知，伴隨防滲墻埋設深度的增加，滲流量變化范圍有限，防滲墻下游總水頭變化較小，基底滲流不斷減少，呈現出明顯的線性關系。分析得出，墻體埋深對于基底滲透性并沒有較強的相關性，影響較小。這主要是由于防滲墻基底自身滲透系數要明顯小于上層土的滲透系數，上層粉砂土為主要滲流通道，因此防滲墻只要埋入下部弱透水層一定深度即可，該設計方案較為合理。

2.4水位變化對防滲效果的影響性

岳城水庫是當地主要引水水源，其水位變化極為頻繁，圍堤浸潤線位置及總水頭變化也十分活躍，這對于壩體穩定性，特別是壩體滲透性有著顯著影響。在此，選取5.5m、5.0m、4.5m、4m四組不同情況進行分析，其分析結果如圖6、圖7所示。

圖7　防滲墻不同位置滲流量對比

由圖6分析可得，水庫水位變化影響區域主要在水庫下游水位，并呈現出明顯的相關性。本次數值模擬中設定水庫水位的變化幅度在1.5m，而模擬結果顯示防滲墻下游側水位變化幅度非常小，僅僅為0.2m，分析可知堤身與堤基滲流水的水位基本上不受水庫水位的影響。

水位的改變對下游側水位的影響呈現出顯著的線性相關，隨著水庫水位的增加，下游水位亦相應增加。在此次模擬中，水庫水位最大變化范圍為1.5m，防滲墻下游側水位變化則僅為0.2m，由此可見圍堤堤身及堤基的滲流水水位變化受水庫水文影響較小。

由圖7可知，水庫水位的改變未對水庫圍堤基礎的滲流量造成大的影響。水庫水位自4m增長至5.5m的過程中，圍堤滲流量雖呈現出線性增加，但其增幅極小，趨于平緩。

綜合分析兩圖可得出，水庫上游側水位變化對圍堤滲流和下游水位變化影響程度均較小。主要原因有兩點：一是上游側水庫水位的增加會使得其對壩體的水壓增加，從而增加壩體內的滲流水勢；使得下游側水頭增加，改變壩體滲流路徑與土體性質，從而導致滲流速率增加；二是隨著水庫水位的增加，溢過防滲墻墻頂的滲流量亦會增加。

除此之外，鑒于水庫在運行使用時，多數情況下為滿庫運行，雖水位存在不斷變化，但幅度有限，因此水庫水位對滲流水的水頭及水量的影響都極為有限，在實際使用中可忽略其對防滲加固效果的影響性。

2.5防滲墻頂高程對防滲效果影響

設置4種分析其相關性，選取距頂0m、1.5m、3.5m、5.5m，（防滲墻墻頂到圍壩頂部距離）。其結果如圖9所示。

圖8　不同防滲墻頂高程處水頭變化曲線

圖9　壩體各部分滲透量與墻頂高程關系曲線

圖10　不同墻高時截面各部分滲流量百分比示意圖

從上圖8分析可知，水頭曲線基本形狀基本一致，隨高程增加，下游側水頭降低，墻頂高程明顯改變了周邊滲流情況，但這種現象在下游表現并不明顯。通過圖9和圖10可知，防滲墻越低，則繞過墻頂的滲流量越多，其在總滲流量中的比例也越大，但無論防滲墻多低，繞過墻頂的滲流量在總量中的比例均相對有限，上限為20%。防滲墻墻頂高程對防滲效果的影響方面主要表現在周邊水頭以及滲流量，但對整體的防滲加固效果影響并不突出，對于距離較遠的下游側水頭影響很小，無法構成對防滲加固效果的主要影響因素。

3　結論

通過上文分析可知：

（1）依據對加固防滲影響大小進行排序，順序為防滲墻滲透系數、水位變化、防滲墻墻頂高程、防滲墻埋深。

（2）防滲墻滲透系數越高，則下游側水頭越大，防滲墻防滲加固效果越低。

（3）水庫水位變化雖會引起下游側水位變化，但影響較低，可忽略不計。

（4）防滲墻墻頂高程和埋深對整體的防滲加固效果影響程度較小。

總而言之，對圍堤防滲加固造成影響的因素是多方面的，但總體主要為三個方面，即基礎地質條件、防滲墻以及水庫自身情況。在實際施工中應從這三點著手，進行具體分析后，采取適宜的施工技術進行壩體防滲加固，從而為防滲加固質量提供保障。陜西水利

參考文獻

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（責任編輯：唐紅云）

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