危險水力對堤壩穩定性影響

王巍　張學賢

摘 要:危險水力條件是引起堤壩滲流發生破壞的重要因素之一,本文介紹了高水位情況下對堤壩穩定性的影響,并結合實際情況提出防護措施。

關鍵詞:堤壩危險水力滲流

中圖分類號:TV5 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)07(c)-0127-01

在潰壩險情中因滲流引起的事故很多,我國約有近萬座水庫存在滲流隱患。在小型水庫中土壩的滲漏問題十分突出,主要表現為下游土壩發生散浸、集中滲漏、沖刷滲漏、管涌等。在進行滲流整體穩定性分析的時候,應充分考慮到作用在壩體上的滲透力,考慮滲流大小和方向對大壩整體穩定性的影響。在進行局部穩定性分析時,應考察因地下水原因產生的滲透坡降。土壩都有特定的土力學特性,如強度指標等,這些是無法改變的,為防止壩坡發生滲流現象,應確定堤壩的危險水力范圍,采取措施改變地下水對堤壩的影響,提高工程安全度[1]。

1 堤壩危險水力研究

危險水力存在的情況有:地下水位高的邊坡,高水位的背水坡,降雨量比較飽和的壩坡等。如果高水位的下游坡沒有采取一定的排水措施,就會出現很高的地下水浸潤線,滲流點處滲透力變得與壩坡平行,將會出現由滲流產生的壩體局部破壞;在降雨發生期間因為浸潤線上土體基質發生的變化,如吸力消失、內摩擦角減小等,則會發生滑坡破壞。因此,對危險水力條件下的堤壩進行研究,如進行現場模擬試驗、有限元法數值模擬、滲流分析、穩定性分析等是非常重要的。

1.1 上游一直處于高水位情況下的堤壩

堤壩上游水位如果長期處于較高的狀態,壩體被浸透就可能形成滲流,排水反濾設計若不是很合理,滲流處會發生滲透現象,且下游不透水的均質壩腳更易發生破壞。所以堤壩應該以排滲和反濾為主,注重滲流口的滲透參數的穩定。

美國專家太沙基是最早提出設計反濾層防止堤壩的破壞,隨后進行的試驗驗證了其設計的準確性,并對其進行了補充和完善,之后學者經過不斷的實踐設計出新的反濾層。

1.2 邊坡處于高地下水位的狀況

水是引起水利事故的關鍵因素之一,河道的水位變化會引發邊坡附近地下水位的變化、滲流引發巖土體重度與抗剪度的改變、大水會對堤岸邊坡腳產生侵蝕等。高水位時堤岸在水中浸泡達到飽和,巖土體含水重量急劇增大,故抗剪強度大大減低,導致當水位發生驟降時土體沒有了原來水體提供的頂托力,再次出現高水位時就容易發生堤岸滑脫坍塌[2]。

考察國內江堤后認為大部分的堤壩建筑都忽略了地下水流的危害,而實際上高地下水位對堤壩的危害與洪水是相當的,都需要改造進行流向疏導,避免破壞岸坡。

1.3 水位降落期非穩定性分析

水位下降時,壩體內地下水會有向下的分速度,在同一垂直斷面上,在上部的孔隙水壓力一般大于下部的,尤其是水位驟降情況下,水壓力產生的阻滑力減小,但壩體存在較大的水平向和垂直向滲透力,堤壩的穩定性就會變差。水位降落速度越小,浸潤線最高點與滲出點間水平向滲透坡降就會越小,水平向滲透力越小,從而上游坡滲流局部和整體穩定性就越好[1]。

1.4 常用研究方法

安全監測技術是確保大壩正常運行的重要手段,可預防事故的發生,為進行評價工程運行是否安全提供有效的依據。常用的監測方法有高密度電阻率法、面波勘探、電磁法等,通過探測對堤壩地質加以分析,可以確定各種不利的影響因子,對大壩安全性狀做出綜合分析,進行風險評估,具有非常重大的意義。

常用的滲流分析方法有理論分析法、試驗分析法和資料觀測分析法等,根據滲流水力梯度、滲透流速、水頭等特點,滲流分為穩定和非穩定滲流。當滲流參數隨時間而發生變化時,就是非穩定滲流,自然環境中各種因素的影響,地下水位是不斷變化的,所以多數情況下存在的都是非穩定滲流。但是在實際考量過程中,我們習慣將地下水位變化不大的非穩定滲流近似看作穩定滲流來計算。

滲流計算是通過求解滲流基本方程,計算出滲流量和水頭等參數。但是因為存在浸潤線,加上浸潤線隨水位變化而變化,故滲流場具有非均勻性。各種復雜的條件給方程求解帶來許多的困難,在實際工程中需要借助于模擬軟件試驗。隨計算機技術的發展和數值計算的進步,推動了滲流數學模型的發展,現在的有限元計算方法能夠很好地解決非均質性、條件復雜的問題[3-4]。

2 高水位大壩滲流防護措施

河道長期處于較高水位運行狀態時,堤壩則會完全地浸透并形成穩定的滲流。如果下游排水設施失效、上游沒有鋪蓋粘土層、下游坡較陡等措施,加上壩體內存在蟻穴蛇鼠洞等暗涌通道時,地下水就會在下游坡面或坡腳處集中滲漏,就會出現散浸危險情況,嚴重就會發生管涌直接破壞滑坡。目前處理這種事故的方法:上游坡鋪蓋粘土層、下游坡坡面及坡腳處設計疏導滲流的溝槽、下游坡鋪設反濾層等[5]。

當水庫地下水位高于河道水位時,地下水就容易在岸坡上產生滲流,若堤身材料不能有效阻止出滲時,就會造成險情。可在岸坡上設計排水減壓井,抽出減壓井內滲水,就能有效改變地下水流向,地下水不能在岸坡上出滲。

當堤壩處于危險水力情況下時,應采取以排滲為主,防滲與排水相結合的措施,加設反濾層為堅強后盾。再結合塊石壓腳、減壓井降低浸潤線等工程措施,最終可達到降低堤壩浸潤線高度、減小滲流對岸坡沖擊的影響、疏導地下水流向、防止滲流最開始在滲出點產生破壞。

3 堤壩滲流穩定模擬分析

堤壩滲流穩定模擬分析可以應用軟件進行計算,結合各種危險水力和試驗條件,就能夠知道危險水力條件對堤壩滲流和邊坡穩定的影響程度。應用軟件可以分析比較不同材料、不同降落速度對滲流與穩定性的影響,然后我們就可以確定水位下降時非穩定滲流計算指標參數,隨后可以比較堤身材料在非穩定滲流的情況下抗滑穩定安全系數與庫水位之間的關系,進而討論不同壩體型式對滲流和穩定性的影響,最后總結出不同條件下水位與坡面滲出點高度之間的關系,得到關于危險水力對堤壩滲流和穩定的資料。

有文獻[5]經過滲流軟件的模擬得出結論,堤壩的排水設施條件越好、水位降落速度越慢,滲流局部穩定性就會越好,滲流場特性越好,抗滑穩定性越好。

4 結語

堤壩滲流是影響其穩定性的最重要因素之一,對危險水力條件下堤壩進行深入研究是非常有價值的,對防止水利事故的發生是至關重要的。

參考文獻

[1] 張大偉,曾紅鷹,段祥寶.危險水力條件對堤壩穩定性影響的模擬[J].水運工程,2010,9:22-26.

[2] 鄭穎人.庫水作用下邊坡穩定性分析[J].巖土工程學報,2007,29(8):1115-1121.

[3] 趙瑜.堤壩防滲加固的控制理論與應用研究[D].天津大學,2008.

[4] 劉小生,吳祥松,袁海平.面向對象有限元方法在大壩滲流計算中的應用[J].有色金屬(礦山部分),2003,55(2):11-14.

[5] 張大偉.危險水力條件對堤壩穩定影響模擬研究[M].揚州大學,2009.