淤泥大壩上下游防滲加固改造技術及滲流分析

王冶志,李翠蘭

(東港市水資源服務中心,遼寧 東港 118300)

0 引 言

淤泥大壩是一種特殊的壩型,由于其各部分的材料成分和工程特性有所不同,因此容易產生滲流問題[1-2]。滲流是指水流通過土體、巖石中的孔隙或裂縫中,導致大壩發生滲漏或滲水現象。這種滲流現象可能對大壩的安全性和穩定性造成威脅,因此需要采取相應的防滲加固技術和進行滲流分析。

淤泥大壩的上游和下游區域是防滲加固的重點區域,上游防滲加固技術主要包括使用黏土斜墻、注漿排水、加固壩體等措施[3]。黏土斜墻是一種常用的防滲措施,通過在壩體上游面增加一層黏土質的傾斜墻體,可以有效提高壩體的防滲性能。注漿排水是利用注漿和排水系統,截斷和控制滲流[4]。加固壩體可以通過增加壩體的厚度、加固壩基等方式,增強大壩的穩定性和抗滲能力。對于淤泥大壩的下游區域,一種常用的防滲加固技術是通過使用原壩體材料培厚。該方法利用原有壩體材料對下游壩坡進行加固,增加壩體的抗滲能力和穩定性[5]。

滲流分析是對大壩上下游區域的滲流情況進行研究和分析。通過對滲流路徑、滲透流量、滲流壓力等參數的分析,可以評估滲流對大壩的影響和風險,并為防滲加固措施的設計和選擇提供科學依據。因此,為了提升淤泥大壩的防滲性能,本文采用滲流模型,對水流的滲流參數進行計算,研究兩種不同的上下游加固方案,通過對加固后的壩體滲流參數進行計算,提出合理的防滲加固措施。

1 滲流計算方法及加固技術

1.1 滲流計算方法

水流通過多孔介質發生滲流,多孔介質周圍為堅硬的外殼,內部為稀疏多孔的材質[6]。水體產生滲流包括兩種情況,分別為土壤本身結構的特性以及由于水流之間有壓強的差別,使水流在土壤中流動,并且流動的方向是從壓強高的位置到壓強低的位置[7]。然而,按照傳統的方法來定義水流的流速研究效果不佳。因此,對水流滲流的研究主要是在宏觀上了解滲流在一定范圍內的平均效果。

滲流模型作為滲流力學領域中一種方便的計算方法,常被應用于滲流的計算中。滲流模型認為,水流填滿孔隙后會繼續流動,當土壤基質全被水流填滿后,則完成滲流作用[8-9]。滲流作用在一個有界的空間內進行,因此引入一個邊界條件,以此達到控制流程邊界的目的[10]。邊界條件一共有3種:第一種為水頭邊界條件,即邊界上給定的水頭分布;第二種為流量邊界條件,即在邊界上給定的流量分布;第三種為混合邊界條件,空間內的壓強差與外界的水流交換量之間有一種線性關系[11]。3種邊界條件的計算公式如下:

式中:(x,y,z)為坐標;t為時間;n為邊界法線;β、α均為常數;qn為單元面積上的流量;K為滲透系數。

式中:lx、ly、lz為邊界法線與坐標軸之間的方向余弦;kx、ky、kz為3個坐標軸方向上的滲透系數。

圖1 壩體的浸潤面示意圖

[H]{φ}={F}

(3)

式中:[H]為整體的滲流矩陣;{φ}為滲流場水頭;{F}為節點的滲流量。

根據式(3)可以求出水頭,進一步可以求出水力的坡降、滲流量。通過對滲流各項參數的計算,可以為后續防滲加固改造技術的防滲效果進行分析,選出最佳的防滲加固方案。

1.2 防滲加固改造技術

淤泥壩防滲加固改造技術的目的是使淤泥壩在結構上滿足防滲設計標準,實現蓄水功能安全、順利地進行。基于此,有兩種具體的方案:方案A是在上游壩坡點建立一個黏土質斜墻體,培厚下游坡壩,同時還需要在下游壩腳處建立一個排水設施,使上下游的壩坡邊坡系數滿足規定的要求。方案B是采用原壩體材料培厚上下游壩坡,使坡度的角度變緩,延長滲流的路徑,同時也需要在下游壩腳處建設一個排水設施。

方案A具體實施過程如下:黏土斜墻是一種常見的土工防護結構,用于抵抗邊坡土體被侵蝕和沖刷的力量。它通常是由黏土材料構成的傾斜坡面,與坡面呈一定的傾角。其主要作用是防止水流沖刷和侵蝕邊坡土體,增強邊坡的穩定性。當水流沖刷邊坡時,黏土斜墻能夠減弱沖刷力,限制土體的下移和側向侵蝕,保持坡體的完整性。黏土斜墻和原壩體材料不同,原壩體材料的滲透系數大于黏土的滲透系數,具有更好的防滲性能。同時,還需要設置一層反濾層,以達到保護斜墻的目的。反濾層是指在施工黏土斜墻前,設置一層合適的過濾材料,用于防止黏土顆粒被沖刷掉,從而保持黏土斜墻的穩定性。還需要在上游壩坡處加設保護層。保護層是在黏土斜墻表面設置一層防護層材料,如鋼筋網、土工布等,用于增強黏土斜墻的抗沖刷能力。

方案B的具體實施過程如下:采用弱于方案A中的原壩體材料進行加厚,同時在上下游位置采用培厚進行壩坡加固。培厚加固是在上下游壩坡位置回填土料及風化料,其目的是使方案的實施進行簡化,壩體的結構相較于方案A會比較簡單。方案B的上游壩坡從外到內分別為護坡、壩體,下游護坡同樣采用草皮。

方案A和方案B分別有13種和11種上下游壩坡加固方案,利用數值分析方法對方案A和方案B在校核水位下的各項參數進行計算。方案A和方案B中各自對應的方案表示、兩種改造方案的上下游壩坡邊坡系數以及滲透系數見表1。

表1 上下游壩坡邊坡系數以及滲透系數

為了滿足具體的需求,方案A中的上游護坡厚度、保護層的厚度、反濾層厚度依次為0.5、1.2和1.40m,并且3種加固設施與壩坡之間呈平行、貼合關系。護坡、保護層和反濾層的材料依次采用干砌石、砂礫石和天然砂礫材料,其中天然砂礫材料需要根據實際的情況和工程要求進行配比。在下游坡腳處安置一個褥墊排水裝置,褥墊與壩體之間有1%的角度差值,以確保水流能夠快速流動。在下游草皮護坡下方填充一層厚度0.5m的碎石,以保證草皮的穩固。方案B中,將干砌石作為護坡材料,其鋪設厚度為0.5m,保證與方案A的護坡鋪設方法和材料的一致。在方案B中的上游和下游坡腳位置同樣鋪設一層草皮,下方墊上0.5m的碎石。排水設備也與方案A中的一致。方案A和方案B改造技術示意圖見圖2。

圖2 方案A和方案B的改造技術示意圖

2 防滲加固技術試驗與分析

2.1 滲流計算方法驗證

為了驗證滲流模型計算的有效性,采用Autobank軟件計算出的結果作為實際參數值,將實際的參數值與滲流模型計算出的數值進行對比。構建的仿真壩體模型高度、上下游水深依次為15.0、13.0和2.0m。模型上游壩坡的邊坡系數值為3.0m,下游壩坡的邊坡系數值為2.0m。仿真壩體的上部壩頂寬設置為5.0m,滲透系數為0.001cm/s。兩種方式計算得出的浸潤線結果見圖3。

圖3 浸潤線計算結果

圖3(a)為仿真模型設置的初始效果圖;圖3(b)為Autobank軟件和滲流模型計算的浸潤線。可以看出,通過Autobank軟件計算的滲流逸出點高度為5.52m,而采用滲流模型計算的滲流逸出點高度為5.15m,誤差值僅為6.7%。同時,采用Autobank軟件計算出的單寬滲流量為2.25×10-6m3/s,滲透模型計算出的單寬滲流量為2.31×10-6m3/s,誤差值為2.7%。因此,研究結果驗證了構建的滲透計算方法的有效性,能夠應用于加固方案滲流分析中。

2.2 兩種加固方案對比試驗與分析

在對加固方案的防滲效果進行分析之前,需要計算壩體的出口滲透比降和容許滲透比降之間的比值。該比值可用于判斷大壩的安全性,比值越小,表明壩體越不容易產生滲透破壞,因此也越堅固。選擇某地淤泥壩體作為研究對象,按照相應的計算公式,可以得出該壩體的水流溢出高度為12.0m,單寬滲流量為4.5×10-6m3/s。下游壩坡出口滲透比降、容許滲透比降分別為3.43和0.45。由于存在出口滲透比降大于容許滲透比降的情況,因此該壩體的防滲效果較差,需要采用防滲加固措施進行處理。采用方案A和方案B分別對壩體進行加固,加固后的出口滲透比降和單寬滲流量計算結果見表2。

表2 兩種方案加固后的出口滲透比降和單寬滲流量計算結果

從表2可知,采用方案A中的A1-A13方案,壩體的單寬滲流量相較于初始值4.5×10-6m3/s,分別下降82.78%、83.07%、87.44%、88.04%、88.78%、90.38%、90.42%、91.51%、91.58%、91.60%、91.60%、91.62%、91.67%;出口滲透比降與初始的3.43值相比,分別減少86.88%、87.76%、89.80%、90.67%、90.96%、91.55%、91.84%、93.00%、93.29%、93.29%、93.29%、93.29%、93.59%。采用方案B中的B1-B11方案,壩體的單寬滲流量與初始值相比,分別下降23.11%、30.44%、31.56%、31.78%、32.00%、32.22%、32.89%、33.11%、34.44%、34.67%、35.11%;出口滲透比降與初始值相比,分別減少79.01%、81.05%、81.92%、83.09%、83.97%、84.84%、86.01%、88.92%、88.92%、89.21%、89.50%。

由此可見,A13方案相較于方案A中的其他方案,單寬滲透量和出口滲透比降減少最多。B11方案相較于方案B中的其他方案,單寬滲透量和出口滲透比降減少最多。對A13、B11這兩種方案的浸潤線進行計算,分析兩種方案的防滲效果,計算結果見圖4。

圖4 兩種方案的浸潤線計算結果

圖4(a)為A13方案改造后的浸潤線計算結果;圖4(b)為B11方案改造后的浸潤線計算結果。在壩體改造前,水流進入壩體的高度為20.0m,經過A13方案改造后的浸潤線流進壩體的高度為12.0m,與改造前的高度相比減少40.0%。經過B11方案改造后的浸潤線流進壩體的高度為16.0m,與改造前的高度相比減少20.0%。因此,采用A方案中的A13方案能夠有效降低水流的浸潤線,使水流和壩體之間的作用力減小,減小了水流對壩體防滲效果的損傷。

3 結 論

為了提升淤泥大壩上下游防滲水的性能,本文分析了兩種不同的上下游加固方案,并對加固后的壩體滲流參數進行了計算。結果顯示,滲透模型計算出的單寬滲流量與Autobank軟件結果相比,誤差值僅為2.7%。方案A中的A13方案,壩體的單寬滲流量相較于初始值減少91.67%;出口滲透比降與初始值相比,減少93.59%。而采用方案B中的B11方案,壩體的單寬滲流量與初始值相比,下降35.11%;出口滲透比降與初始值相比,減少89.50%。A13方案和B11方案改進后壩體的水流浸潤線相較于原始高度,分別減少40.0%和20.0%。研究表明,在上游設置護坡、保護層、黏土斜墻、反濾層,下游采用褥墊排水和草皮進行加固,且上下游的壩坡系數分別為3.00和2.75時,能有效提升淤泥大壩的防滲性能。