基于渾水滲流理論的某斜心墻土石壩滲流穩定機理研究

2012-07-26 09:14:06姚鋒杰

水力發電 2012年10期

姚鋒杰

（水利部山西水利水電勘測設計研究院，山西太原 030024）

滲透破壞研究的主要內容包括對土體滲透破壞形式和滲透破壞發生的臨界條件的判別。對土體滲透破壞形式的判別主要通過顆粒級配關系和粗料形成孔徑與細料含量的比較；對于滲透破壞的臨界條件判別需分別針對不同土性進行，一般說管涌型土的臨界水力坡降較小，而流土型土所能承受的水頭較大。針對管涌型和流土型土的臨界水力坡降，國內外的專家學者在實驗和理論方面都進行了大量研究，得到了較多的研究成果[1-17]。

在對當前土體滲透破壞形式的分類方法、滲透破壞的臨界水力坡降研究成果進行深入分析的基礎上，筆者認為當前滲透破壞的研究中仍存在著的一個不容忽視的問題，即渾水的出滲問題及由此造成的滲流破壞形式的演化[18-20]。

1 工程概況

某水庫是一座以防洪、灌溉為主，結合發電、養殖業、城市供水等綜合利用的中型水庫。水庫樞紐建筑物由漿砌石重力壩、土壩、粘土斜墻壩、溢洪道、放水洞等組成。水庫主壩全長335 m。因多種原因，防滲墻施工質量較差。自1980年工程竣工蓄水后運行至今，險情時有發生，直接危及大壩安全，雖然作了臨時應急處理，但沒有從根本上解決問題。

1980年水庫蓄水后，庫水位為326 m時，發現壩后約200 m處有滲漏點及滲漏帶，日滲漏量近7萬m3，逸出點高程302 m。經技術人員研究，采用了帷幕灌漿截滲，處理后滲漏量有所減少。

1992年5月31日，水庫工程技術人員檢查發現粘土斜墻上有多處塌坑；1994年3月10日，在樁號0+031和0+205處發現有兩處塌坑；1995年6月20日及1999年8月，又相繼發現幾處塌坑。經技術人員分析研究認為，塌坑段位于古河道上，原壩基為粘土質粘結的礫卵石層，滲透系數大，如果反濾層失穩破壞，在滿庫運行水頭壓力下，滲漏將會逐漸嚴重，逐步形成滲漏通道，將大量泥砂淘空而沉陷。

2 粘土斜墻壩滲流計算模型

粘土斜墻壩計算模型以302 m高程線與混凝土防滲墻對稱軸線交點為原點，以指向下游方向為X軸正方向，以向上為Y軸正方向建立坐標，單位為m。

滲流計算未考慮塌坑和局部不均勻的影響，壩體及壩基各部位滲透系數按勘探和設計情況進行取值。壩前粘土斜墻、壩基砂礫石層、混凝土防滲墻、反濾層滲透系數分別為 4.1×10-6、 8.7×10-3、 1.7×10-9、5×10-5m/s。壩后302.00 m高程處自由出滲。整個模型共劃分12 133個單元，結點數12 392個。

基于穩定滲流理論，結合渾水滲流理論[20]，以材料本身的滲透系數為初始參數，考慮室內試驗所得的渾水作用的滲透系數變化規律，即隨著渾水作用時間的增加滲透系數降低，采用有限元軟件Geo-Studio進行滲流計算。

3 斜墻壩滲透破壞形式分析

3.1 粘土斜墻滲透破壞形式分析

粘土斜墻壩由重粉質粘土填筑而成，填筑質量不均勻。重粉質粘土為紅褐色，濕，可塑狀態，干密度1.41～1.73 g/cm3，平均值為1.62 g/cm3，小值平均值為1.58 g/cm3，沒有達到設計干密度不小于1.65 g/cm3的要求；標準貫入擊數3.7～5.7，屬中等壓縮性；滲透系數平均為4.1×10-6m/s，屬弱透水性。粘土斜墻壩體填筑材料級配情況：d30=0.014 mm、d50=0.025 mm、d60=0.029 mm、d70=0.034 mm、d85=0.043 mm、d95=0.051 mm。

斜墻的土質為重粉質粘土，滲透變形類型為流土，根據規范可知：壩體粘土的允許水力坡降為4～5。

3.2 反濾層滲透破壞形式分析

由于建壩時取土區內反濾材料缺乏，只在粘土斜墻下部設置了一層反濾料，反濾料采用無粘性砂，級配情況：d10=0.028 6 mm、d30=0.048 1 mm、d50=0.728 mm、d60=0.892 mm、d95=1.818 mm，Cc=0.912、 Cu=5.12。

根據《水利水電工程地質手冊》及GB50287-99《水利水電工程地質勘察規范》的有關規定，代入上述試驗參數，判定該砂層的滲透破壞形式為管涌。

根據土顆粒自重、靜水浮力及滲透力相平衡原理得到的臨界水力坡降為0.45。

4 反濾層管涌破壞計算分析

由于反濾層沒有按照規范進行設計，不能保證自身的穩定，而下游卵礫石階地滲透系數較大，孔隙發育。在庫區高水位作用下，反濾料可被滲透水流沖蝕，進入下游卵礫石階地，一旦反濾層破壞，粘土斜墻將失去保護。上述情況給大壩的正常運行留下了嚴重的安全隱患，造成壩體接連發生嚴重的滲透破壞，壩面產生嚴重的塌陷，壩體產生上、下游貫通的滲漏通道。

4.1 死水位計算結果

在死水位306 m作用下反濾層的水頭等值線如圖1所示。從圖1可以看出，計算所得總水頭線分布均勻，大部分水頭由粘土斜墻承擔。由于防滲墻滲透系數較小，幾乎所有的流線都從防滲墻頂繞過，導致在防滲墻頂位置滲流較集中，成為滲透水流通過的主要路徑。計算得到防滲墻頂粘土部分承受著較大的水力坡降，最大值為2。死水位作用下，在反濾層中水力坡降最大值約為0.017，遠小于臨界水力坡降0.45，粘土斜墻壩處于安全狀態。

圖1 死水位作用下反濾層水頭等值線

4.2 正常蓄水位計算結果

4.2.1 初始參數

在正常蓄水位（336.00 m）作用下的反濾層水頭等值線如圖2所示。從圖2可以看出，水頭線集中分布于粘土斜墻和反濾層中，其中粘土斜墻承受著大部分的水頭，反濾層中的水頭線分布于底部和頂部，又以底部較密集。反濾層與砂卵石階地接觸位置流速、水力坡降隨X坐標變化關系見圖3。從圖3可以看出，流速大于1×10-5m/s的分布范圍較大，給滲流留下了很大的安全隱患。在反濾層底部的水力坡降最大值已達到4，為臨界水力坡降值0.45的8倍多；反濾層與砂卵石階地接觸位置處的最大水力坡降值為0.6，大于臨界水力坡降值0.45，該位置也存在滲透破壞危險。分析認為，砂卵石階地的滲透系數較大，級配不良，不能有效防止反濾層顆粒的流失，同時由于反濾料自身級配不能保證穩定，在水力坡降大于臨界水力坡降時會發生管涌破壞。

圖2 正常蓄水位作用下反濾層水頭等值線

圖3 正常蓄水位作用下，反濾層與砂卵石階地接觸位置流速、水力坡降隨X坐標變換關系

基于此，選擇反濾層中水力坡降大于臨界水力坡降的區域，采用渾水滲流程序進行計算，計算中為通過調整滲透系數體現考慮渾水作用導致孔隙堵塞而造成滲透性能降低的過程，考慮了兩種渾水計算工況。需要說明的是，降低程度不是無限的，是隨著時間的推移最后變化很小，渾水計算工況2即是最終穩定滲透系數。

4.2.2 渾水滲透系數變化計算工況1

工況1：土體滲透系數從5×10-5m/s變化至5×10-4m/s歷時 1 700 s，而從 5×10-4m/s到 5×10-3m/s的過程則只用200 s。選取水力坡降大于0.45的區域進行計算，計算面積約2.3 m2，深1.5 m，寬約1.3 m，出口面積1 m2，初始孔隙率為0.4，與初始值一致。

在正常蓄水位作用下，反濾層會發生管涌破壞，初始參數時，反濾層已經有一部分發生管涌。在此基礎上利用Geo-Studio對工況1進行計算，得到水頭等值線如圖4所示，總水頭仍舊分布于粘土斜墻和反濾層中，與初始參數計算結果比較，粘土斜墻承受的水頭比重更大，反濾層中由于部分管涌破壞的影響，水頭線分布更加密集。反濾層底部局部位置最大流速已達4.8×10-5m/s，且分布范圍集中，使此處更容易發生滲流破壞。反濾層底部的水力坡降值仍然很大，未發生管涌破壞的反濾料外邊緣水力坡降值已達5.8左右，為臨界水力坡降值0.45的10倍多，管涌的發生已是不可避免。

圖4 工況1反濾層水頭等值線

對以上計算結果進行分析可知：整個管涌過程中滲透系數都呈現出明顯的增大趨勢，且隨著時間的增長滲透系數增大速率也加大，這與土體的管涌破壞發展過程較好的吻合。在初始時刻，由于被滲透水流帶出管涌口的為細小顆粒，且流量和流速均較小，細顆粒的流失速度相應較慢，所以滲透系數增長較慢，但土體中細顆粒的流失導致局部滲透系數增大，使管涌水向該區域集中，加快了管涌的發展，隨著細顆粒的不斷流失，土體骨架的孔隙通道越來越大，可以允許一些較大粒徑的顆粒通過，此時管涌的發展就會呈現出加速的趨勢。速率變化非常明顯說明反濾層中的粘性顆粒一旦完全流失，反濾層將在很短時間內破壞。

流量隨時間呈現不斷加速的增長趨勢。隨著細顆粒的完全流失，孔隙率、滲透系數隨時間的變化加快，是流量隨著時間變化迅速增加的直接原因。流量、滲透系數的變化規律完全吻合，說明滲透系數與流量之間會互相促進，會加速管涌集中滲流通道的發展。

4.2.3 渾水滲透系數變化計算工況2

工況2：土體滲透系數從5×10-5m/s變化至5×10-4m/s歷時 1 170 s，而從 5×10-5m/s到 5×10-3m/s的過程則只用100 s。其余同工況1。

在對反濾層進行第一次渾水滲流計算的基礎上，進行工況2的計算，得到的水頭等值線如圖5所示。從圖5可以看出，所有的水頭都由粘土斜墻承擔，在粘土斜墻底部水頭線分布密集，造成在此位置水力坡降很大，粘土斜墻底部與原反濾層接觸位置最大流速為7.3×10-5m/s，其值較大，但分布范圍較小，流速為3.16×10-5m/s的區域分布很明顯；最大水力坡降值已達到20。

圖5 工況2水頭等值線

反濾層的管涌破壞致使在防滲墻頂部的粘土斜墻部分失去反濾層的保護，而此處粘土斜墻中的水力坡降為20左右，已大大超過了粘土斜墻的臨界水力坡降，在庫區高水位作用下，此位置必然發生流土破壞，使粘土斜墻被擊穿，發展為貫通上下游的集中滲漏通道，這是大壩在蓄水后粘土斜墻上出現多處塌坑的直接原因。

5 結論與展望

通過對該水庫的滲流計算，認為此水庫的粘土斜墻部分不滿足滲透穩定要求。由于斜墻反濾層設計的不合理，造成其在庫區高水位作用下發生了管涌破壞，且在很短的時間內反濾層土料即被滲透水流破壞，給粘土斜墻壩留下了安全隱患。

粘土斜墻防滲體厚度不足，在庫區高水位作用下，粘土斜墻中實際承受的水力坡降已遠遠大于臨界水力坡降，且上部未設保護層，在下部反濾層發生管涌后，粘土斜墻已接連出現嚴重的滲透破壞，多處被擊穿，擊穿處壩體已形成上下游貫通的滲漏通道，粘土斜墻已經失去了整體防滲的功能。建議除險加固從加大防滲體厚度和設置保護層入手。本文通過有限元計算得到了與工程實際相近的結果，驗證了計算程序的可靠性，可為粘土斜墻壩的除險加固理論計算提供參考。

［1］劉杰.土石壩滲流控制理論基礎及工程經驗教訓［M］.北京：中國水利水電出版社，2006.

［2］陳建生，李興文，趙維炳.堤防管涌產生集中滲漏通道機理與探測方法研究［J］.水利學報， 2000（9）:48-54.

［3］陸培炎，評定滲流管涌公式［J］.巖土力學， 2001， 22（4）:389-394.

［4］毛昶熙，段祥寶，蔡金傍，等.堤基滲流無害管涌試驗研究［J］.水利學報， 2004（11）:46-53.

［5］毛昶熙，段祥寶，蔡金傍，等.堤基滲流管涌發展的理論分析［J］.水利學報， 2004（12）:46-50.

［6］毛昶熙.管涌與濾層的研究：管涌部分［J］.巖土力學，2005，26（2）:209-215.

［7］毛昶熙，段祥寶，蔡金傍，等.北江大堤典型堤段管涌試驗研究與分析［J］.水利學報， 2005（7）:818-824.

［8］ Abdallah I,Malkawi H， Al-Sheriadeh M.Evaluation and rehabilitation of dam seepage problems［J］.Engineering geology,2000（56）:335-345.

［9］白永年，孫曉范，白潔.土壩滲透破壞的原因及治理技術［J］.水利水電技術， 2002， 33（10）:15-16.

［10］吳昌瑜，丁金華.九江長江干堤潰口段破壞機理及處理措施［J］.巖土工程學報， 2001， 23（5）:557-562.

［11］李廣信，周曉杰.土的滲透破壞及工程問題［J］.工程勘察，2004（5）:10-13.

［12］周健，張剛.管涌現象研究的進展與展望［J］.地下空間，2004， 24（4）:536-542.