淤泥質軟土壩基抗滑穩定性分析及加固處理

趙 爽

（安徽三洲水利建設有限公司，安徽 宿州234000）

水庫大壩修建過程中會經常遇到不良地質現象，如邊坡失穩、軟弱地基等。壩基是影響大壩安全的重要部位，由于壩基失穩滑動造成壩體失穩破壞的事故屢見不鮮［1］。因此，在含有軟弱地基的壩址區修建水庫大壩時，需要準確分析壩基抗滑穩定性，為壩體設計和建設提供參考。目前，較為常用的水庫壩基穩定性分析方法包括：數值模擬［2］、極限平衡［3］。極限平衡法計算安全系數受國內外行業專家、學者的認可［4］，數值模擬方法可根據地質情況，建立數值模擬模型，研究地質體內部應力分布特征。

在含有軟弱地層的區域修建水庫大壩，若其安全性難以滿足規范要求，則需要采取相應的加固措施，保證壩體的安全性。目前，有較多的方法加固壩基，如響水凹水庫采用振沖碎石樁加固壩基［5］、七里坡水庫采用高壓擺噴灌加固壩基［6］、紅山水庫采用強夯法加固壩基［7］、楊莊水庫采用壩前壓重法提高壩體安全性［8］。

本文以某大壩建于厚層淤泥質軟土地質水庫為例，研究壩基穩定性和壩基抗滑穩定性處理方法。

1 工程概況

水庫壩址位于洼地內，洼地內填充被黏土充填的塊石，采用土工膜防滲，大壩類型為土石壩，最大壩高23.5m，頂寬5.0m，上、下游坡比為1∶2.5。壩體正常蓄水位高21.0m，設計洪水位22.3m，校核洪水位22.9m，死水位11.0m。河床壩基下設厚1.0m的上、下各有一層厚0.5m反濾層的堆石體，壩體斷面如圖1。

圖1 壩體剖面

2 壩基抗滑穩定性分析

采用數值模擬方法研究壩基滲流及抗滑穩定性，根據壩體剖面及地質情況建立數值模擬模型，如圖2。

圖2 數值模擬模型

2.1 計算參數選取

由于土工膜厚度較薄，在模型建立時難以建立，根據前人研究，可采用當量滲透系數來反映土工膜的滲透性［9］。根據滲流量恒定這一基本原理，土工膜厚度滿足式（1）：

式中 k1，k2分別為土工膜滲透系數和等效滲透系數；L為計算長度（m）；Δh為水頭差（m）；δ，t分別為土工膜厚度（mm）和等效厚度（mm）。

通過計算，土工膜原厚度0.8mm，在模型建立時，土工膜厚度0.4m，滲透系數為5×10-9cm/s。壩體和壩基計算參數如表1。

表1 壩體、壩基數值模擬計算參數

2.2 壩體抗滑穩定性分析

2.2.1 滲流分析

根據設計洪水位工況下滲流計算結果，由于土工膜滲透系數較小，提高了壩體的防滲效果，壓力水頭及浸潤線如圖3。

圖3 壓力水頭及浸潤線

由圖3可知，土工膜的存在，減少了入滲至壩基的地下水量，壩體底部浸潤線較低，與壩基面幾乎平齊，下游壩腳處為逸出點，滲透坡降不大于0.1。

2.2.2 抗滑穩定性分析

在完成壩體滲流分析的基礎上，研究加固前壩基抗滑穩定性情況，不同水位下的壩體穩定性計算結果如表2。

表2 不同工況下壩坡安全性計算結果

根據計算結果可知，所有工況下上游壩坡穩定性情況較好，滿足規范安全要求，下游壩坡穩定性較差，難以滿足安全要求，正常運行下游壩坡安全系數小于1.25；在非正常運行期間，下游壩坡安全系數小于1.15。因此，需要加固壩基。

3 壩基加固處理方案及效果研究

3.1 加固處理方案

3.1.1 加固方法比選

根據抗滑穩定性分析，壩體破壞主要原因是淤泥質土強度低，因此，提高壩體抗滑穩定性可從以下兩個方面分析：①提高淤泥質土抗滑能力，主要包括開挖換填淤泥質土、振沖碎石樁等；②平衡滑動剪切力，主要包括壓重壩腳等。現就3種方法進行比選，比選內容如表3。

表3 3種加固方案對比

根據表3對比，結合工程特點，選用壓重壩腳作為壩基抗滑治理方法。

3.1.2 加固工程設計

為合理設計壓重體體型，選擇3種方案進行比選。分別設計壓重體寬為12，15，20m，下游坡比均為1∶3，并采用0.5m厚反濾層、0.5m厚塊石護坡。其中方案1～方案3填 筑 量分 別為：8.1×103，6.2×103，4.3×103m3。

通過穩定性驗算，方案1在設計洪水位時，安全系數小于1.25，同時隨著壓重體增高，其安全系數下降，因此僅考慮方案2、方案3。方案3填筑量較少，但護坡及反濾層施工量較大且造價較高，通過計算方案3造價較方案2多約10萬元，因此選擇方案2作為壩基加固方案。

3.2 加固效果分析

加固后壩坡安全系數計算結果如表4。由表4可知，加固后正常運行工況下下游壩坡安全系數由加固前的1.08～1.09提升至1.26～1.27，大于規范要求1.25；非正常運行期間下游壩坡安全系數也由1.08～1.10提升至1.26～128，大于規范要求1.15。通過抗滑安全系數計算，采用壩腳壓重的方案，可提高該土石壩的抗滑安全系數。

表4 加固后不同工況壩坡安全性計算結果

4 結語

（1）通過數值模擬分析，在不進行壩基加固處理時，下伏淤泥質土軟弱壩基的土石壩下游壩坡安全系數小，沿淤泥質土破壞，需要進行壩基加固處理。

（2）通過方案比選，選擇壩腳壓重的處理方法提高抗滑安全系數，設計壓重體寬15.0m，高8.3m，壩坡系數為1∶3，經計算，正常運行工況下游壩坡安全系數由1.08～1.09提升至1.26～1.27，達到規范要求。