除險加固前后土石壩壩體滲流及壩坡穩定性分析

袁旭琦，盧士亮，許 超

(江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司，南京 210029)

1 概 述

土石壩材料結構簡單，受地形和地質條件限制程度較低，一直是水庫修建時的主要選擇。隨著現代社會的進步，原先的壩體填筑材料由于質量不高，難以滿足當前灌溉和防洪等多方面的需求[1-2]。并且受大壩清基不徹底、管理運營不當等諸多因素的影響，部分水庫常年漏水，工作效益不斷下降，對下游居民生產生活構成較大威脅。

壩坡穩定和滲流在土石壩設計及管理過程中不可或缺，對土石壩的安全和穩定性評估具有重要意義。宋昊等[3]對斜心墻土石壩進行了滲流穩定性分析，同時考慮非穩定工況和穩定工況兩種情況，結果表明上游降落水位與壩體滲流量呈正相關關系。而在實際運用中，目前的方法難以提供有效的參照依據，甚至與真實情況存在較大偏差。因此，本文以壩體滲特征為切入點，運用有限元法，對其滲流穩定性進行計算，以期客觀評價除險加固效果，并為解決類似工程問題提供方法與借鑒。

2 除險加固前后土石壩壩體滲流及壩坡穩定性分析

2.1 壩體滲流及壩坡穩定分析方法

在土石壩的一般結構中，以散粒體為主。而參照壩基的沙礫可以發現，其構成成分之間均客觀存在著一定空隙。這些空隙使壩體結構具有透水性，從而導致滲流現象的發生。在庫區相關人員的監管之下或者由于壩體本身設計原因出現的滲流，稱作正常情況下的滲流[4-5]。可以通過以下幾種狀態進行判斷：①是每個部位都有滲流現象發生；②是滲流流量不大，水質較好，即清亮明澈，其間僅有極少量的土壤顆粒，這種情況下的滲流對壩體和壩基基本不會產生任何損害。但在一些情況下，滲流的水質較低，呈現出渾濁狀，滲流流量也較平常更大。同時難以看清水流性狀，水中含有大量泥沙，此時則出現了異常滲流。這種滲流會對壩體和壩基產生極大的不良影響，使其在接觸性沖刷、流土等作用下遭到嚴重損害，從而導致土體滲透破壞[6-7]。

一般來說，在孔隙中出現流動液體，其流過的過程即為滲流發生的過程。在滲流過程中，由于孔隙的三維存在特性，其外形以及尺寸都存在或多或少的差異，導致其復雜多變，難以真正掌握其運動變化的規律。在水力坡降與滲流速度之間，存在著一定的難以用一般方法反映的線性關系。而達西定律能夠計算出滲流場中所有點的滲流速度，因此本研究采用該方法對土石壩出險加固前后進行滲流計算。由于土石壩整體上通常是非飽和狀態，土-水特征曲線則成為描述這種狀態的可靠路徑。土-水特征曲線是非線性函數，反映的是基質吸力與含水率之間的函數關系。其因土體顆粒和土體含水率等因素的影響發生改變，能夠真實描述非飽和土體狀況，本研究通過Van Genuchten代理模型與之相貼合。

在進行滲流的求解時，有限元法是目前實現效果最好的方法之一。其能夠進行區域劃分，通過自身特性將整體的一部分滲流區域分解為獨立的子區域。需要說明的是，這些子區域并不是完全獨立的，而是彼此之間連接的，也是事實上的有限元。單元之間能夠任意結合，其本身特性具有多變性，因此能夠對形狀變化較大的求解域實施模型化步驟[8-9]。Geo-Studio軟件是實用性較高的有限元軟件，在水利、巖土、地質等領域應用廣泛，其包含的Seep/W模塊常被用來處理非飽和滲流問題。Seep/W模塊將目標模型劃分為網格，通過有限元數值模擬實現滲流分析，可以清晰地探察到孔隙壓力分布情況，并由此得到變化規律。同時，能夠直接定義邊界條件，隨時分析二維流動、不飽和瞬態滲流，并保證結果的準確度始終處于較高的水平。其計算過程見圖1。

而該軟件中的Slope/W模塊，在處理邊坡滑移面及安全系數方面表現出極好的性能。Slope/W模塊的理論基礎是極限平衡法，其本身擁有豐富的計算分析方法，同時帶有龐大的數據庫，可以解決孔隙裂隙之類的所有問題。所以在研究過程中，通過Slope/W模塊處理壩體滲流問題，然后利用其所包括的Seep/W模塊進一步分析除險加固后的穩定性。通過輸入實驗過程所需的數據，利用該模塊中的模型參數，對實驗對象進行有限元模擬分析，就能夠以較快的速度獲得與實際情況最為符合的結果。

圖1 Seep/W模塊計算過程

2.2 工程概況

江蘇省內有淮河、沐河等多條重要河流穿過，已建各類規模水庫900座以上。研究選擇的水庫位于南京市南部地區，坐落在秦淮河支流上游，總體地勢為北部較低，南部偏高，屬于攔河水庫。該水庫兼具防洪、養殖、供水、灌溉、旅游等多種效益，灌溉面積302.333hm2，正常蓄水位1 881.42m，相應庫容為150m3，總庫容300m3。由于長時間的運行，且缺乏較為嚴密的管理和維護，水庫淤積嚴重，浸潤線持續增加、上游無護坡、壩體滲漏等問題逐漸增多。經現場考察發現，壩體填土質量較差，在靠近低山丘陵處區域沒有設置相應的排水溝。壩腳顯現出較多散浸點，排水體已經難以搜尋，壩基與壩體滲漏嚴重，洪水沖刷下的破壞痕跡明顯。在壩頂處，小型沖溝較為常見，填筑質量下降，抗洪能力不夠，多次出現險情，對下游地區的安全造成巨大威脅。面對該水庫現狀，特別是滲流問題，主要通過庫盤區清淤來維護壩體穩定，并將清淤土料用于修補后壩，同時補設排水體、排水溝。在庫區上游，采取削坡措施，降低至安全坡比。對于原來無法發揮作用的排水棱體，首先進行拆除，然后根據實地環境進行重建，同時加高壩體，新建混凝土護坡和壩頂蓋面。蓋面材料為泥結碎石，護坡厚度為0.15m。在護坡下設置土工膜，并在膜下增加砂礫石墊層20cm。新增槽孔防滲墻，厚度為0.3m。在此次除險加固后，水庫興利庫容達到60×104m3，總庫容達到302.76×104m3，死庫容為80×104m3。

將該水庫最大壩高橫斷面作為計算模型，壩高最大值為18.3m，斷面基礎高程為1 888.3m，上下游坡比均為1:2.5。根據設計要求對大壩壩體加固，將壩頂寬度增加至3.8m，下游坡比保持不變，同時上游坡比轉換為1:3.5。增加頂寬1.0m的貼坡排水體，其位于下游高程1 890.3m處，根據3.0m壩基影響深度實施二維有限元計算。由Geo-Studio軟件中的Slope/W、Seep/W模塊開展壩體滲流和壩坡穩定性分析。加固后，各分區材料參數見表1。

表1 加固后模型分區參數

根據工程的實際要求，各分區材料參數會在多種因素的影響下發生變化，因此不是固定的。將黏聚力變異系數設定為0.25，在土石壩加固后，模型三角形單元總數為2 649個，單元尺寸為1m，節點1 459個，摩擦角變異系數設定為0.15。離散模型見圖2。

圖2 加固后土石壩最大壩高截面離散模型

水庫的土石壩通常是非飽和狀態，因此需要進行非飽和滲流計算。對于壩體填筑材料的實際滲透系數來說，其大小與土水特征曲線形狀有直接關聯。通過Van Genuchten代理模型，分析壩體非飽和滲流及壩坡穩定性，填筑材料的飽和體積含水量設置為0.045，土水特征曲線的3個擬合參數為0.6269、2.68和0.6765kPa。水庫的兩個重要函數關系曲線見圖3。

圖3 某水庫土體基質吸力與水平方向滲透系數和體積含水量等參數的函數關系

3 除險加固前后壩體滲流及壩坡穩定性結果分析

選擇壩體模型在正常蓄水位(40.5m)、校核洪水位(42.67m)和設計洪水位(41.43m)時的滲流量、浸潤線和滲透坡降結果進行對比，3種水位下除險加固后壩體滲流計算結果見圖4。

圖4 3種水位下壩體滲流情況

由圖4可知，與校核洪水位的壩體浸潤線相比，正常蓄水位和設計洪水位的浸潤線位置均較低。當水位升高時，浸潤線位置也隨之增高，此時上游的滲透壓力也會逐漸增大，滲流現象就會越顯著，下游的出逸點高程隨之上升。3種水位下除險加固后壩體滲流分析結果統計見表2。

表2 3種不同水位下的滲流統計結果

由表2可知，滲流速率、溢出坡降和單寬流量的最大值均出現在校核洪水位工況下，表明水位變化與滲流速率、單寬流量的正相關關系。即隨著水位的降低，二者值變小；當水位上升時，二者值隨之增大。允許坡降的標準為2～10，而正常蓄水位、校核洪水位和設計洪水位的帷幕坡降分別為3.120 5、3.361 7和3.249 8，允許坡降均為0.15，符合現行標準。同時可以看出，壩體的滲流量較小，遠小于規范值，滲流狀態良好。然后統計穩態工況下除險加固前后土石壩的滲流穩定結果，見表3。

表3 穩定工況下除險加固前后滲流穩定結果

從表3的滲流穩定結果對比可知，在該水庫除險加固前，3種水位下，上游壩坡的穩定安全系數均在2.5以下，平均值為2.391；除險加固后，上游壩坡的穩定安全系數均超過3，平均值為3.305，上游壩坡的穩定性和安全性都有較大提升。在下游壩坡的安全系數方面，除險加固后與加固前相比，仍有一定的提升。在滲流量方面，3種水位下都有明顯減少，下降量均在2×10-4m3/s以上，滲流情況得到明顯改善。同時表明，除險加固措施取得較大的正面效果，具有較好的適用性。當水庫水位突然下降時，則為瞬態滲流工況，失穩概率及安全系數變化結果見圖5。

圖5 瞬態滲流工況下除險加固前后下游壩坡失穩概率和上游壩坡安全系數

通過48h的觀察發現，壩坡上游水位降至1 881.94m，已達到水庫的死水位。水位下降過程是從正常蓄水位(1 883.8m)開始的。在該工況下，通過簡化Bishop法，得到上游壩坡安全系數為2.510、下游為1.849。根據設計規范規定必須小于標準值(1.15)，由此可知所得安全系數高于標準值。

由圖5(a)可知，加固前后的上游壩坡安全系數均在一開始有較為顯著的下降，然后以緩慢的速度提升，且折線拐點都出現在10 000s附近。具體來看，盡管二者的趨勢相同，但加固后的結果一直比加固前更大，最大值為3.2，最小也超過1.6，安全性大幅度增加。在最大值比較方面，加固前后仍然有1.2的差距，說明加固后壩體安全性得到較大提升。

由圖5(b)可知，下游壩坡通過加固措施修正后，失穩概率隨水位提升而逐漸下降，這種變化滿足相關規范要求。下游壩坡失穩概率在10 000s處開始出現顯著下降，然后逐漸保持穩定，并降至較低水平。加固后的下游壩坡失穩概率始終趨近于0%，且呈一直下降的趨勢。與加固前相比，失穩概率降低幅度較大，說明加固后大壩結構安全性能明顯改善，表明該除險加固措施的有效性。

4 結 論

土石壩滲流及壩坡穩定性分析是當前維護水庫庫區安全的重要基礎。本文首先分析了土石壩的土料結構，并將滲流現象作為出發點探求計算方法。然后運用Geo-Studio軟件中的Slope/W和Seep/W模塊，分析了除險加固前后土石壩的滲流情況以及上下游壩坡的穩定性。結果表明，在帷幕坡降方面，壩體除險加固后3種水位所得結果均大于3.1，滲流狀態良好。加固后的下游壩坡失穩概率基本在0%左右波動，符合規范要求，提高了大壩安全性能，表明除險加固措施能夠有效改善大壩滲流問題，同時也驗證了該方法的有效性。