水位升降對防滲墻加固土壩的影響研究

徐 文

(江西贛禹工程建設有限公司，江西 南昌 330200)

0 引言

目前，我國的水庫土石壩工程大多建于20世紀六七十年代，受技術和歷史條件的限制，部分工程存在質量差、隱患多等問題，其中壩體滲水成為土石壩最常見的病害之一[1]。土石壩加固工程中常采用混凝土防滲墻，加固對壩體穩定性和變形有一定影響。混凝土防滲墻加固土石壩的變形具有一定的特點，大部分加筋壩都是運行了幾十年的老壩，壩土固結已基本完成，固結變形和自重荷載變形可忽略，但附加的防滲墻會改變壩體內的滲流場和應力場，造成壩體應力變形的重構[2]。另一方面，水庫水位荷載、洪水和排水過程等影響因素是多年循環荷載，水庫的運行經常經歷水位波動的工況。水位波動引起土體孔隙水壓力的瞬態變化。當水庫水位下降過快時，土壤排水時間不足，壩體孔隙水壓力不能快速消散，壩坡在滲流力的作用下會引起邊坡失穩、壩體變形、壩頂開裂等破壞現象[3]。目前，關于邊坡穩定性分析的研究比較成熟。極限平衡法因具有明確的力學概念和計算穩定性被廣泛應用，通過分析極限狀態下的平衡來求解邊坡的穩定性[4]，研究發現，水庫遭遇突發性水位變動時，安全系數會急劇下降[5]。大壩的水平位移和沉降受到上游水庫水位變化的影響，隨著水庫水位的升高，壩頂縱向裂縫呈現收縮的趨勢，水庫水位下降時，壩頂裂縫呈現張開的趨勢[6]。

本研究以防滲墻加固土壩工程為研究對象，系統分析水位波動對壩坡上、下游穩定安全系數和不同截面、不同測點的水平位移和沉降位移的影響，為水利大壩滲流墻的設計和運行管理提供參考。

1 工程概況

某水庫是一座以供水為主，兼有防洪綜合效益的小型水庫。2013年在原有均質土壩的基礎上，采用高壓噴射注漿在大壩內修筑了混凝土防滲墻，2016年首次在壩頂路面上發現裂縫，后期裂縫持續延伸，最長約近百米，靠近大壩軸線混凝土截流墻處，裂縫的平均寬度為4mm，最寬部分為30mm。該壩為均質土壩，混凝土高壓噴射注漿防滲墻施工后，壩頂標高182.6m，最大壩高42.3m，壩頂長176m，壩寬7.6m。設計洪水位180m，校核洪水位180.2m，總庫容432萬m3，如圖1所示。

圖1 大壩模型示意圖

173m高程至壩頂高程，大壩上游坡面采用預制件砌塊護坡，坡度比為1∶2。標高160～183m處，大壩上游坡面采用干砌體護坡，坡比為1∶2.5。標高160m以下，大壩上游坡面為塊石，坡比為1∶1.3。從高程160m到壩頂高程，大壩下游坡面由混凝土網格草皮保護。

2 水位變化對壩坡穩定性影響研究

2.1 滲流與邊坡穩定性分析方法

土石壩和地基假設為各向同性多孔介質，壩體內滲流符合達西定律，非飽和滲流模型采用Fredlund和Xing模型。采用極限平衡法對壩坡穩定性計算，基于莫爾庫侖抗剪強度理論，將潛在滑動面內的邊坡按一定比例劃分為若干土條，并根據土條之間的極限平衡條件建立靜力平衡方程。考慮滑動土的整體彎矩平衡，計算邊坡的安全系數，并根據該方程對邊坡的穩定性進行評價。彎矩平衡關系式為：

(1)

式中，c—黏聚力，kPa；φ—土體內摩擦角，(°)；ΔL—滑動面上各土長，m；LW—各土條對滑動面中心的力矩，N·m；LN—滑動面各土條中點與其法線對應的彎矩，N·m；R—到圓心的力矩長度，m；W—土條重量，kN。

2.2 數值模型與參數

水庫大壩防滲墻軸線位于壩軸線上，壩厚0.25m。根據相關設計資料、現場勘察報告及水庫壩坡地形成圖數據，選取典型設計斷面，利用GeoStudio軟件建立二維大壩模型，分析壩坡水位突降對穩定性的影響。壩體上游面邊界和初始條件為設計水位和穩態滲流場，壩基為全約束邊界條件。水庫大壩地基為花崗巖巖體，壩基風化巖體主要集中在大壩下游一側。在模擬飽和、非飽和滲流場時，壩體分別采用飽和、非飽和模型，壩基采用飽和模型。混凝土防滲墻采用高壓噴射灌漿施工，實測防滲墻防滲系數為4.5×10-7cm/s。

2.3 水位變化條件下壩坡穩定性分析

當水庫水位在短時間內快速下降時，容易引起壩坡垮塌，是土石壩失穩的重要原因。本文分析和模擬了水庫在正常蓄水條件下水位為180m時，計算加防滲墻后壩坡穩定安全系數。水位下降的模擬過程設置水位從180m下降到150m，持續時間分別設置為10、6和3d，對應下降速度為3、5和10m/d。初始條件為長期浸水下的穩態分析結果。計算典型最危險滑動面，以極限平衡法的平均值計算，具體參數見表1。

表1 壩坡模型計算參數

不同水位降低速率情況下，壩坡上游穩定安全系數變化曲線如圖2所示。

圖2 壩坡上游穩定安全系數

上游壩坡安全系數隨水位降低而減小，水位下降到最低水平時，安全系數最小，然后呈緩慢上升趨勢，最后保持穩定。水位下降速度為3、5和10m/d時，在持續時間為10、6和3d時水位降至150m，對應的安全系數分別為1.53、1.37和1.17。水位下降速度為10m/d時壩坡上游最小穩定安全系數較水位下降速度為5和3m/d時壩坡上游最小穩定安全系數分別低14.6%和23.5%。由于水位以較快的速率下降，水頭差發生顯著變化，邊坡的穩定性下降，壩體坡面巖土內部基質的吸力仍較低。隨著水位不再下降，孔隙水壓力逐漸消散和土體抗剪強度的逐漸升高，壩坡內部基質吸力逐漸恢復，穩定安全系數增大。不同水位降低速率情況下，壩坡下游穩定安全系數穩定在1.6左右，水位降低對壩坡下游穩定安全系數的影響可忽略。

根據工程地質報告，在無水位變化的情況下，壩體邊坡穩定安全系數約為2.0，總體安全穩定。水位極端驟降的情況下，壩坡安全性降低。水位下降速度越快，上游壩坡穩定安全系數下降越快，壩坡穩定性不利。隨著后期水位的穩定，壩體土孔隙水壓力逐漸消散，穩定安全系數再次上升，最終趨于穩定值[7-9]。

3 水位變化時壩體變形測量與分析

3.1 測點布置

壩體地表進行變形測量，對兩處壩體橫斷面觀測，每個橫斷面有2個觀測點，共4個觀測點，如圖3所示。

圖3 變形測點布置示意圖

3.2 水平位移

大壩的水平位移通過觀察橋墩測量，圖4—5為2個測量斷面不同測點的水平位移，其中上游表示為負值，下游表示為正值。

圖4 截面1不同測點的水平位移

圖5 截面2不同測點的水平位移

從圖4—5可以看出，上游測點水位位移最大值出現在2021年7—9月，從測點變形和庫區水位變化規律來看，2021年4—9月，隨著水位的上升，除7月監測到的數據外，通常趨向上游。2021年9月—2022年5月隨著水位下降，壩體水平位移總體上有向下游變化的趨勢。2個斷面的變形規律可知，不同斷面測點的變形規律相似。2021年4月—2021年9月水位上升，下游的2個監測點在6月測得31.8和12.9mm，總體有向上游變化的趨勢。2021年9月—2022年5月，隨著水位的下降，壩體水平位移總體上有向下游變化的趨勢。總體上，壩體水平位移受上游水庫水位變化影響，上游水庫水位上升，壩體向上游方向偏移，實測值為負值[8]。反之，上游水庫水位下降，壩體總體有向下游移動的趨勢，實測值為正，兩斷面下游壩坡測點水平位移幅值明顯大于上游坡測點。

3.3 沉降位移

圖6—7為2個測量斷面不同測點的沉降位移，向下的位移表示為負值，向上的位移表示為正值。

圖6 截面1不同測點的沉降位移

圖7 截面2不同測點的沉降位移

從2個斷面的沉降規律可知，2021年4—9月隨著水位的上升，除5月監測到的沉降外，總體上呈向上變化趨勢。2021年9月—2022年5月，隨著水位的下降，壩體水平位移總體呈下降趨勢。水庫水位的連續變化過程中，同一斷面的監測點呈現相同的變化趨勢。壩面沉降的變化與上游水庫水位的波動有關。上游水庫水位上升時，壩面沉降值為負值，壩面有上升趨勢。反之，上游水庫水位下降時，壩體地表沉降值為正值，呈向下沉降趨勢。

4 結論

大壩的水平變形、沉降變形與水庫水位的變化密切相關。本文采用數值分析和現場實測相結合的方法，分析了水位升降對防滲墻加固土壩的影響，得出以下結論。

(1)水庫遇到水位驟降時，安全系數急劇下降。隨著水位穩定，壩體土孔隙水壓力逐漸消散，穩定安全系數再次增大，最終趨于穩定。

(2)水庫上游水位上升，大壩水平位移向上游方向偏移。水庫水位下降，壩體水平位移向下游移動，下游邊坡水平位移變化顯著大于上游邊坡；沉降變形的波動表現為上游側大于下游側期。

(3)由于水庫壩體的變形特征與大壩類型、施工質量等密切相關，研究結論在其他類似工程中的應用，需要進一步研究。