不同水位時防滲墻缺陷對土石壩穩定性影響分析

段 芳

(湖北省漳河土木工程設計院，湖北 荊門 448000)

對于巖土體材料，水是影響其抗剪性質最主要的因素，土石壩在長期的水位變化過程中，壩體內部發生滲流作用，影響著土石壩材料特性，進而對土石壩的穩定性造成影響[1- 3]。

對于覆蓋層較厚的壩體，采用混凝土防滲墻作為防滲體是一種經濟有效的處理方式[4- 5]。防滲墻施工工藝在實際施工過程中，很難把握好施工質量，防滲墻墻體易出現施工缺陷，例如厚薄不均、空洞等現象，這些缺陷可能對原設計的防滲效果造成嚴重影響[6- 8]。

利用GEO-STUDIO，對不同水位變化下不設置防滲墻和有防滲墻缺陷的壩體進行穩定性分析。

1 模型的建立及參數

某小型農田水庫總庫容大約為1200萬m3，原設計壩頂寬為7m，壩頂高程為35m，壩身為碾壓式均質土堤。土石壩多年運行后，壩體出現滲漏，土石壩的下游坡段出現大面積坍塌，水庫的安全運行受到嚴重影響。通過綜合分析，需要對土石壩進行防滲加固，降低壩體的浸潤線。圖1為土石壩全貌圖。

圖1 土石壩全貌

所研究的庫岸岸坡為粘土心墻土石壩，依據相關試驗以及規范[9]，對巖土體相關物理參數進行經驗取值，表1為壩坡相關的物理力學參數。利用GEO-STUDIO，對不同水位情況下設置防滲墻前后的壩體進行穩定性分析。

2 防滲墻設置前

2.1 穩定性分析

原壩體在正常蓄水位時，上游水位為47.875m，下游無水。對不同水位情況下的壩體進行滲流穩定性分析，上游水位從47.875m下降到35.575m，水位下降速度分別為3m/d、1m/d、0.5m/d，分別對1d、4d、10d、20d、120d、220d后的壩體進行穩定性分析，圖2為原水位情況下壩坡下游計算分析圖，因篇幅有限，圖3只列舉了原水位下降1d后不同下降速度情況下的壩坡穩定性分析圖。

表1 坡體相關物理力學參數

圖2 原水位情況下壩坡下游計算分析圖(FS=0.767)

圖3 原水位下降1d后壩體穩定性分析圖

從圖3中可以看出，水位下降時，水位下降速度越大，圓弧深度越深，這是由于水位下降速度不同時，巖土體的孔隙水壓力也不同，坡體滲透作用力不同，導致圓弧發生位置有差異。

2.2 結果對比分析

為了直觀對比分析，表2和圖4列舉了設置防滲墻前不同水位變化情況下上游壩坡安全系數計算結果。

表2 設置防滲墻前上游壩坡安全系數計算結果

圖4 設置防滲墻前上游壩坡安全系數計算分析圖

從圖4和表2中可知，庫水位下降幅度為12.3m，當庫水位下降速度為3m/d時，水位下降4d后，壩坡安全系數最低為1.142，之后水位不再變化，壩坡安全系數逐漸穩定；當庫水位下降速度為1m/d時，水位下降10d后，壩坡安全系數最低為1.12，之后水位不再變化，壩坡安全系數逐漸穩定；當庫水位下降速度為0.5m/d時，水位下降20d后，壩坡安全系數最低為1.191，之后水位不再變化，壩坡安全系數逐漸穩定。設置防滲墻前，隨著庫水位的降低，壩坡的安全系數也隨著降低，庫水位不再變化時，壩坡安全系數逐漸回升，但增加緩慢，壩坡的安全系數要低于水位下降初始時刻的安全系數。

3 有防滲墻缺陷

對原壩體進行防滲加固處理，擬采用高壓噴射灌漿來設置防滲墻，高壓噴射灌漿是通過其高壓力作用，對地層進行攪拌和切割，然后灌入水泥砂漿，使水泥砂漿與原土體混合，以此來提高原土體的固結性，降低原土體的滲透性。

該施工工藝在實際施工的過程中，很難把握好施工質量，防滲墻墻體易出現施工缺陷，例如厚薄不均、空洞等現象，這些缺陷可能對原設計的防滲效果造成嚴重影響，本節將對防滲墻出現缺陷時的壩體進行滲流穩定性分析。

原壩體的填筑土層有三層，假設每個土層均有一個孔洞，直徑0.5m，孔洞滲透系數與原土層滲透系數相同。庫水位從47.875m下降到35.575m，水位下降速度分別為3m/d、1m/d、0.5m/d，對不同水位下降速度、不同時間段、不同缺陷位置的壩體進行分析，因篇幅有限，只列舉了在原水位情況下和水位下降1d后的有防滲墻缺陷的壩體下游穩定性分析圖。如圖5、6所示。

圖5 原水位情況下的有防滲墻缺陷的壩體下游穩定性分析圖

圖6 水位下降1d后防滲墻缺陷位于壩身的壩體上游穩定性分析圖

4 結果對比分析

為了直觀對比分析，對不同水位下降速度、不同時間段、不同缺陷位置的壩體穩定性進行比較，表3為原水位情況下防滲墻缺陷位置不同時壩坡下游計算結果表，表4和圖7為不同水位情況下防滲墻缺陷位于壩身時壩坡上游計算結果，表5和圖8為不同水位情況下防滲墻缺陷位于壩基細砂層時壩坡上游計算結果，表6和圖9為不同水位情況下防滲墻缺陷位于壩基強風化花崗巖時壩坡上游計算結果。

表3 原水位情況下防滲墻缺陷位置不同時壩坡下游計算結果表

表4 不同水位情況下防滲墻缺陷位于壩身時壩坡上游計算結果表

表5 不同水位情況下防滲墻缺陷位于壩基細砂層時壩坡上游計算結果表

表6 不同水位情況下防滲墻缺陷位于壩基強風化花崗巖時壩坡上游計算結果表

圖7 不同水位情況下防滲墻缺陷位于壩身時壩坡上游計算結果

圖8 不同水位情況下防滲墻缺陷位于壩基細砂層時壩坡上游計算結果

圖9 不同水位情況下防滲墻缺陷位于壩基強風化花崗巖時壩坡上游計算結果

從表3中可以看出，在原水位情況下，防滲墻缺陷位于壩基細砂層時，壩坡下游的安全系數最低，這是由于壩基細砂層的滲透系數最大，庫水滲流時，滲流路徑發生了改變，滲流路徑將會變短，滲流量增大，巖層的滲透系數越大，防滲墻缺陷對壩體滲流的影響越大，導致壩坡下游的安全系數偏小。

有防滲墻缺陷時，不管防滲墻缺陷位于哪個土層，隨著庫水位的降低，壩坡上游的安全系數均為先減小后逐漸回升的趨勢，水位下降速度越大，壩坡上游安全系數越低。相比于設置防滲墻前，防滲墻缺陷使得上游壩坡的安全系數的最小值整體減小，可見防滲墻缺陷的存在，對壩坡上游穩定性影響很大。

5 結論

利用軟件GEO-STUDIO，對不同水位變化下不設置防滲墻和有防滲墻缺陷的壩體進行穩定性分析。

設置防滲墻前，隨著庫水位的降低，壩坡的安全系數也隨著降低，庫水位不再變化時，壩坡安全系數逐漸回升，但增加緩慢，壩坡的安全系數要低于水位下降初始時刻的安全系數。隨著庫水位的下降，水位下降速度越大，上游壩坡安全系數越低。

巖層的滲透系數越大，防滲墻缺陷對壩體滲流的影響越大，導致壩坡下游的安全系數偏小。相比于設置防滲墻前，防滲墻缺陷使得上游壩坡的安全系數的最小值整體減小，可見防滲墻缺陷的存在，對壩坡上游穩定性影響很大。