壩體加固前后滲流及壩坡穩(wěn)定性對比分析

張 奇

（廣東省源天工程有限公司,廣東 廣州 511340）

0 引言

滲流和壩坡穩(wěn)定始終是土石壩壩體設(shè)計(jì)及管理的重點(diǎn)問題,設(shè)計(jì)不當(dāng)、后期運(yùn)行維護(hù)不及時(shí)不到位等會引發(fā)土石壩滲流異常,壩體浸潤線持續(xù)升高,不利于下游壩坡穩(wěn)定及壩體運(yùn)行安全。我國過去所建造的土石壩因當(dāng)時(shí)技術(shù)水平落后,相關(guān)規(guī)范不完善,而遺留了大量病險(xiǎn)問題,使水庫無法正常發(fā)揮灌溉、供水、防洪等功能,為此,必須在深入分析壩體加固前后滲流及壩坡穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上,進(jìn)行土石壩及病險(xiǎn)水庫加固防護(hù)。

1 壩體滲流及壩坡抗滑穩(wěn)定分析原理

土石壩加固前后滲流計(jì)算主要基于達(dá)西定律,其一般形

式表示如下：

式中：vx、vy、vz為x、y、z滲透主軸向達(dá)西流速,m/s；kx、ky、kz為x、y、z滲透主軸向滲透系數(shù)；h為滲流場內(nèi)計(jì)算點(diǎn)水頭,m。

則穩(wěn)定滲流微分方程為：

為簡化分析,可將土石壩滲流問題簡單視為x-y面的二

維滲流問題,則以上三維穩(wěn)定滲流微分方程可簡寫為：

水庫工程土石壩基本為非飽和狀態(tài),一般情況下主要應(yīng)用土水特征曲線進(jìn)行非飽和土石壩狀態(tài)描述,該曲線屬于非線性函數(shù),本文采用Van Genuchten代理模型進(jìn)行土水特征曲線貼合[1],同時(shí)進(jìn)行土石壩土體實(shí)際含水量、壩體滲透系數(shù)、壩體基質(zhì)吸力等參數(shù)函數(shù)關(guān)系及變動趨勢特征的描述,表示如下：

式中：Se為有效含水飽和度；為壩體填筑材料體積含水量；s為壩體填筑材料體積含水量飽和值；r為壩體填筑材料體積含水量殘余值；φ為壩體填筑材料基質(zhì)吸力；a、n、m為土水特征曲線擬合參數(shù)；k為壩體填筑材料的滲透系數(shù)；ks為壩體填筑材料滲透系數(shù)飽和值。

基于土石壩有限元非飽和滲流計(jì)算以及邊坡穩(wěn)定分析結(jié)果,便可計(jì)算出土石壩壩坡最危險(xiǎn)滑動面所對應(yīng)的安全系數(shù)臨界值。參考現(xiàn)有研究成果,水庫非飽和滲流土石壩壩體填筑材料各項(xiàng)參數(shù)不確定性對土石壩可靠性及滲流穩(wěn)定性影響程度的分析主要采用蒙特卡洛模擬方法,分析過程中所涉及的土石壩壩體填筑材料各項(xiàng)參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征值均通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合、工程類比、既有參考文獻(xiàn)等獲取。

土石壩抗滑穩(wěn)定分析方面,Bishop公式充分考慮土條間的作用力且計(jì)算過程較為簡單,為此,此處主要采用簡化的Bishop法[2]進(jìn)行土石壩抗滑穩(wěn)定分析,公式如下：

式中：Fs為壩坡安全系數(shù)；c'i為土石壩土體粘聚力,kPa；φ'i為內(nèi)摩擦角,（°）；Wi為土條重量,kg；bi為土條寬,m；ui為土條底弧面中點(diǎn)孔隙水壓力,kPa；ai為通過土體重心的半徑和鉛垂面夾角,（°）。

2 工程實(shí)例

2.1 基本資料

新疆和田地區(qū)皮山縣境內(nèi)的波斯干水庫夾在昆侖山北麓河塔里木盆地西南緣之間,具體位于西昆侖山前低丘陵區(qū),水庫庫區(qū)主要呈南部高北部低態(tài)勢,同時(shí)也是波斯干流域出山口以上的一座山區(qū)性攔河水庫。該水庫在長期運(yùn)行后目前主要表現(xiàn)出原排水棱體失效、浸潤線持續(xù)升高、壩體滲流等問題。為有效解決該水庫土石壩滲流并提升下游壩坡穩(wěn)定安全,主要采取水庫庫盤區(qū)清淤,利用庫盤清淤土料對后壩進(jìn)行修整加固并設(shè)置排水體和排水溝,上游壩坡樁號0+013~0+048段進(jìn)行削坡至安全坡比,對格賓石籠泄洪渠進(jìn)行加固加高改造,同時(shí)將原已失效的排水棱體拆除后進(jìn)行工程措施重建。通過本次除險(xiǎn)加固,波斯干水庫總庫容可達(dá)到301.75×104m3,興利庫容60×104m3,死庫容80×104m3。

2.2 計(jì)算方法及參數(shù)選取

計(jì)算模型選取波斯干水庫最大壩高橫斷面,該斷面基礎(chǔ)高程1888.3 m,壩高最大值18.30 m,上下游坡比均為1∶2.5。按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行大壩壩體加固后,壩頂寬度從原來的2.8 m增大至3.8 m,上游坡比則調(diào)整為1∶3.5,下游坡比不變。在下游高程1890.3 m處增設(shè)頂寬1.0 m的貼坡排水體,并按照3.0 m的壩基影響深度進(jìn)行二維有限元計(jì)算。具體而言,主要通過GeoStudio分析軟件中的Seep/w和Slope/w模塊分別進(jìn)行波斯干水庫土石壩壩體滲透分析及壩坡抗滑穩(wěn)定分析。按設(shè)計(jì)要求分別進(jìn)行壩體、黏土斜墻、壩基、夾層、新建排水棱體等分區(qū)加固后各分區(qū)參數(shù)選取見表1。

結(jié)合工程實(shí)際,各分區(qū)材料參數(shù)并非固定值,而隨著諸多影響因素的變動發(fā)生變異。根據(jù)對工程實(shí)際情況的考察,粘聚力變異系數(shù)和壩體內(nèi)摩擦角變異系數(shù)分別取0.25 和0.15[3]。加固后的土石壩最大壩高截面離散模型共包括1459 個節(jié)點(diǎn)和單元尺寸1.0 m的2649 個三角形單元,設(shè)置邊界水頭條件,具體見圖1。

圖1 加固后的土石壩最大壩高截面離散模型

對于具體水庫大壩而言,其土石壩基本上處于非飽和狀態(tài),故應(yīng)進(jìn)行波斯干水庫大壩壩體非飽和滲流計(jì)算,同時(shí)考慮到土石壩壩體填筑材料實(shí)際滲透系數(shù)取值通常與土水特征曲線性狀直接相關(guān),為此必須進(jìn)行水庫大壩壩體、新建排水棱體等的非飽和滲流計(jì)算。

本文采用土水特征曲線中的Van Genuchten代理模型進(jìn)行該水庫土石壩非飽和滲流及壩坡穩(wěn)定性分析,波斯干水庫大壩壩體填筑材料飽和體積含水量s取0.045,土水特征曲線擬合參數(shù)a、n、m分別取0.6765 kPa、2.68和0.6269,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行波斯干水庫土石壩水平向（X向）滲透系數(shù)與土體基質(zhì)吸力、壩體體積含水量與土體基質(zhì)吸力等參數(shù)的函數(shù)關(guān)系,具體見圖2和圖3。

圖2 波斯干水庫土石壩X向滲透系數(shù)與土體基質(zhì)吸力關(guān)系

圖3 波斯干水庫土石壩壩體體積含水量與土體基質(zhì)吸力關(guān)系

3 加固前后壩體滲流及壩坡穩(wěn)定分析

選取穩(wěn)定滲流工況下三種水位進(jìn)行土石壩加固前后滲流穩(wěn)定分析,結(jié)果見表2,由表2 中結(jié)果可知看出,波斯干水庫土石壩加固后壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)比加固前明顯增大,且滲透坡降和滲流量取值均有所減小,充分說明,加固措施適用且有效。

表2 穩(wěn)態(tài)工況下土石壩加固前后滲流穩(wěn)定結(jié)果

以波斯干水庫庫水位驟降為瞬態(tài)滲流工況,在48 h的分析過程中水庫大壩壩坡上游水位從1883.8 m驟降至1881.94 m的,前值為該水庫正常蓄水位,后值為水庫死水位。根據(jù)對水庫大壩加固后瞬態(tài)庫水位驟降工況歷時(shí)48 h時(shí)邊坡滲流及穩(wěn)定性結(jié)果的分析,由簡化Bishop法計(jì)算得上下游壩坡安全系數(shù)分別取2.510 和1.849,符合水利工程設(shè)計(jì)規(guī)范所規(guī)定的至少1.15 的標(biāo)準(zhǔn)值。

當(dāng)庫水位發(fā)生驟降時(shí),上游壩坡加固前失穩(wěn)概率始終圍繞0%小幅度變動,而下游壩坡加固前失穩(wěn)概率隨水位升高起初緩慢增大,在5285 s后快速下降,從起初不符合規(guī)范到隨后符合規(guī)范；上游壩坡加固后失穩(wěn)概率仍始終圍繞0%小幅度變動,而下游壩坡按設(shè)計(jì)要求采取加固措施后失穩(wěn)的概率隨庫水位升高而呈降低趨勢,這一變動也與相關(guān)規(guī)范要求較為符合,并待水庫土石壩結(jié)構(gòu)內(nèi)孔隙水壓力達(dá)到完全消散狀態(tài)后,下游壩坡失穩(wěn)的可能性以及安全系數(shù)逐漸達(dá)到穩(wěn)定水平,分別見圖3和圖4。圖3加固后上游壩坡安全系數(shù)最大取3.2,且比加固前明顯增大；圖4加固后下游壩坡失穩(wěn)概率大大減小,加固后水庫大壩結(jié)構(gòu)性能安全,說明波斯干水庫大壩所采取的“清淤+削坡+新建排水棱體”除險(xiǎn)加固措施取得了預(yù)期效果。

圖4 上游壩坡安全系數(shù)

圖5 下游壩坡失穩(wěn)概率

4 結(jié)論

綜上所述,波斯干水庫大壩滲漏主要采取“清淤+削坡+新建排水棱體”的加固措施,通過進(jìn)行該水庫土石壩壩體除險(xiǎn)加固后庫水位從正常蓄水位驟降至死水位工況下壩體滲流及壩坡穩(wěn)定性等情況的模擬分析,主要取得了以下幾點(diǎn)結(jié)論：（1）隨著庫水位的急劇下降,且以基質(zhì)吸力原因的存在,該土石壩壩體內(nèi)會出現(xiàn)十分不利于上游壩坡穩(wěn)定的逆向滲流；并待水庫大壩壩體結(jié)構(gòu)內(nèi)孔隙水壓力完全消散后,壩坡安全系數(shù)及失穩(wěn)概率才會趨于平穩(wěn)。（2）采取“清淤+削坡+新建排水棱體”的加固措施后,該水庫大壩浸潤線下降,壩體滲流明顯降低,上游壩坡安全系數(shù)以及下游壩坡失穩(wěn)概率等取值也均達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求水平；且波斯干水庫大壩加固后庫水位急劇下降后上游壩坡安全系數(shù)明顯增大,下游大壩壩坡失穩(wěn)概率明顯減小,充分表明本水庫大壩所采取的“清淤+削坡+新建排水棱體”的加固措施切實(shí)可行。