當卡土石壩段滲流及穩定性分析

鄭福杰，譚海勁，譚文超，張 宇，白明龍，謝興華

(1.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029；2.廣東省水利電力勘測設計研究院，廣東 廣州 510635；3.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

土石壩滲流控制主要采取的“前堵后排”的方法，常用防滲措施主要分為水平防滲和垂直防滲，水平防滲包括復合土工膜、黏土鋪蓋等，垂直防滲包括黏土心墻、防滲墻等[1-2]。在透水地基上修建的土石壩或除險加固工程中，水平鋪蓋是常用的一種防滲措施[3]。蔣雁[4]分析了壩基灌漿和全庫黏土鋪蓋2種防滲方式在源頭井水庫的加固中的應用；薛瑾[5]利用Geo-Studio模擬比較了防滲鋪蓋、帷幕灌漿對老板田水庫的滲流場的影響，并分析其對壩坡穩定性的影響；舒海輝[6]通過有限元分析了水平鋪蓋長度對土石壩壩體與壩基內部孔隙水壓力分布的影響。其他許多學者也對不同防滲措施下土石壩滲流及穩定性的影響進行了研究[7-12]。當卡水電站在運行過程中，土石壩段下游壩腳有少量滲水，為說明土石壩段滲流安全狀況，本文以當卡土石壩段為研究對象，對比分析土工膜與上游壩腳截滲槽、土工膜與壤土鋪蓋2種防滲形式對當卡土石壩的滲流穩定性的影響。

1 工程概況

玉樹當卡水電站位于青海省玉樹州玉樹縣下拉秀鄉當卡村子曲河段，電站為Ⅲ等中型工程，樞紐從右至左主要由混凝土壩、河床式電站廠房、溢流壩、泄洪閘及復合砂礫石壩。水庫正常蓄水位，設計、校核洪水位均為3848.00m，死水位3846.00m。

砂礫石壩布置于主河床左側階地上，全長313.84m。壩體上游坡1∶2.3，下游坡1∶1.8。壩頂高程3849.00m，防浪墻頂高程3850.20m，壩頂寬8.0m，最大壩高21m。壩體上游壩坡3828.00m以上布置一道復合土工膜防滲。壩內設置有L型排水體并與下游排水棱體相接，并設置反濾層，以防止壩體和壩基砂礫料中細料的流失。河床覆蓋層巖性主要為沖積含漂石砂卵礫石層，下伏基巖巖體以弱透水為主，少量中等透水。土石壩段典型剖面圖如圖1所示。

圖1 當卡土石壩典型斷面圖

2 模型與模擬條件

2.1 計算原理

(1)滲流計算

本文滲流計算選取符合達西定律的不可壓縮各向同性土體的二維空間穩定滲流，其滲流域內任一點水頭函數h應滿足下述基本方程式：

(1)

式中，h—水頭函數，h=h(x，y)；k—滲透系數。定解條件為：

流量邊界：

(2)

水頭邊界：

h|Γ1=h1(x，y)

(3)

式中，Г1—第一類邊界，本文根據大壩運行過程中上下游實際水位進行設置；Г2—不透水邊界和潛流邊界等第二類邊界，本文壩基兩側及底部設為不透水邊界，下游壩坡設置為潛在滲流面邊界，對可能的浸潤線逸出點進行計算。

(2)壩坡穩定性計算

當卡壩址區地震動水平加速度為0.1g，地震基本烈度為Ⅶ度，采用擬靜力法進行對壩坡進行抗震穩定性復核。根據SL 274—2020《碾壓式土石壩設計規范》，邊坡穩定性分析方法利用極限平衡法中的簡化畢肖普法計算，其公式為：

(4)

式中，W—土條重量；V—垂直地震慣性力；u—作用于土條底面的孔隙壓力；α—條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角；b—土條寬度；c′—土條底面的凝聚力；φ′—土條底面的內摩擦角；MC—水平地震慣性力對圓心的力矩；R—圓弧半徑。

2.2 模型設置

采用二維模型對當卡土石壩進行分析計算，模型邊界沿上游壩腳延伸120m，沿下游壩腳向下游壩腳延伸40m，壩基向下取2倍壩高，模型采用三角形四邊形進行剖分，全局單元最大尺寸為0.5m，共劃分為47122個單元，大壩上游至下游依次為：上游護坡、復合土工膜、上游細砂墊層、L型排水體、砂礫石殼、下游貼坡排水體，壩基自上而下分別為：砂礫石層、弱風化基巖；模型計算斷面如圖2所示。

圖2 當卡土石壩有限元模型斷面圖

2.3 計算工況及參數

針對該工程下游壩腳存在滲漏的情況，本文以對該工程滲透穩定進行分析，并與其它防滲形式方案采進行比較，其中水平壤土鋪蓋采取2種方案：

方案一：土工膜+壤土鋪蓋，其中鋪蓋長度分別為100、50、0m，鋪蓋厚度分別為1、2、3m，共7中工況

方案二：土工膜+混凝土截滲槽，截滲槽伸入弱風化基巖1m。

模型計算所需的其它壩體分區的滲透系數、力學參數等根據地勘資料及設計報告資料進行確定，見表1。

表1 壩體材料參數

根據SL 274—2020規定，應考慮到大壩在運行過程中可能出現的各種不利情況，本文計算工況根據根據電站實際運行情況和設計資料進行確定，具體設置見表2。

表2 計算工況表 單位：m

3 計算結果

3.1 滲流計算分析

根據二維有限元滲流計算得到的部分工況下穩定滲流計算結果如圖3—6所示。從圖中可以看出，土工膜后的浸潤線高程大幅降低，水流流經壩體后通過下游排水體流出，復合土工膜起到了良好的防滲效果，膜后排水體排水效果顯著。僅在壩體上游采取土工膜防滲時壩基在下游段也承擔了較高的水壓力；壩基上游壩腳采用壤土鋪蓋防滲時，總水頭線分布在上游鋪蓋范圍內，且鋪蓋水平長度越長，總水頭線分布越稀疏，壩體下游承擔的水頭壓力較小。不同方案、不同工況下大壩滲流計算結果見表3，材料的臨界坡降根據設計資料選取。由計算結果可以看出，不對壩基采取防滲措施時，壩基滲透坡降達到了1.07，超出了臨界坡降，滲漏量達到了1.72×10-3m3/s，壩基會發生滲透破壞；采取壤土鋪蓋工況時，大壩滲漏量、壩基滲透坡降及壩體浸潤線出逸處的坡降均隨壤土鋪蓋長度和厚度的增大而減小；但各項計算指標仍比截滲槽工況下的計算值大。計算結果表明，采取復合土工膜與截滲槽的聯合防滲方式效果最好，砂礫石壩基坡降為0.006，浸潤線出逸處坡降為0.003，大壩單寬滲漏量為1.83×10-5m3/s，能夠滿足滲流安全。

表3 壩體滲流計算結果表

圖3 工況3總水頭等值線及浸潤線圖

圖4 工況6總水頭等值線及浸潤線圖

圖5 工況7總水頭等值線及浸潤線圖

圖6 工況8總水頭等值線及浸潤線圖

3.2 壩坡穩定分析

以工程實際防滲措施和前文分析的滲流結果為基礎，對土工膜+截滲墻防滲形式下的大壩壩坡穩定性進行分析。如圖7—10所示為土石壩在3種水位及地震工況下的危險滑弧位置及最小安全系數圖，正常水位壩坡最小安全系數為1.41>[Fs]=1.35；校核水位工況壩坡安全系數分別為1.39>[Fs]=1.20；正常水位運行偶遇地震工況壩坡最小安全系數為1.23>[Fs]=1.15，大壩計算斷面在以上各種工況下均處于穩定狀態，滿足安全要求。

圖7 正常蓄水位上下游壩坡最危險滑弧及安全系數

圖8 設計洪水位上下游壩坡最危險滑弧及安全系數

圖9 校核洪水位上下游壩坡最危險滑弧及安全系數

圖10 正常蓄水位遇地震上下游壩坡最危險滑弧及安全系數

4 結論

本文針對當卡土石壩段下游壩腳附近少量滲水的現象，對其滲流穩定性進行了研究，并進一步分析了不同水位工況下的壩坡穩定性，得出以下結論。

(1)復合土工膜和截滲槽的防滲效果良好，砂礫石壩殼內浸潤線位置低，出逸點在下游貼坡排水體內，出逸坡降均小于壩體材料的允許坡降，壩體滲漏量較小，下游壩腳雖有少量滲水但滲水清澈且已正常運行多年，不會危及大壩安全。

(2)在正常、設計、校核水位及地震工況下，大壩上下游壩坡安全系數均大于規范值，壩坡穩定性滿足規范要求。