土壩除險(xiǎn)加固防滲方案必選研究

曹建宇

摘 要：本文基于筆者多年從事土壩防滲的相關(guān)研究，以土壩除險(xiǎn)加固防滲為研究對(duì)象，論文首先探討了除險(xiǎn)加固的研究方法，進(jìn)而比較了防滲方案，在此基礎(chǔ)上，給出了大壩滲流計(jì)算和大壩壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算的結(jié)果，并進(jìn)行了分析，全文是筆者工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：土壩 除險(xiǎn)加固 防滲方案 壩坡穩(wěn)定

中圖分類號(hào)：TV697 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）07（b）-0050-02

隨著一些土石壩的使用年限增加，加上長(zhǎng)期以來(lái)管理不善，技術(shù)力量不足，致使不少水庫(kù)堤壩出現(xiàn)了許多問(wèn)題，如滲漏量過(guò)大、滲透破壞嚴(yán)重等。土石壩除險(xiǎn)加固的重點(diǎn)在土石壩的防滲，土石壩的工程質(zhì)量問(wèn)題主要是滲漏、滑坡和裂縫。土石壩的滲漏、滑坡和裂縫問(wèn)題中，滑坡和裂縫的產(chǎn)生很多也與滲漏有關(guān)。所以，在除險(xiǎn)加固過(guò)程中，防滲最為重要。而國(guó)內(nèi)外普遍使用的土石壩防滲加固技術(shù)主要有回填粘土防滲斜墻、沖抓套井回填粘土防滲心墻、高壓噴射灌漿、粘土劈裂灌漿、射水造常態(tài)混凝土防滲心墻及土工膜防滲等。土石壩的防滲體形式除應(yīng)滿足工程地質(zhì)條件、施工條件、壩體構(gòu)造要求和土料性質(zhì)等條件外，還應(yīng)滿足下列滲流條件：（1）滲流量不超過(guò)允許滲流量；（2）心墻下游坡的逸出坡降不超過(guò)允許坡降。因各種防滲措施的耐久性、可靠性、經(jīng)濟(jì)合理性等差異，實(shí)際中小型土壩加固施工常選用沖抓套井粘土心墻與粘土防滲斜墻進(jìn)行方案比選。

因此本文主要對(duì)土壩除險(xiǎn)加固中沖抓套井粘土心墻與粘土防滲斜墻防滲措施的滲流和穩(wěn)定計(jì)算進(jìn)行研究，著重分析防滲墻位置和厚度變化對(duì)大壩滲流以及穩(wěn)定的影響規(guī)律，為工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 研究目的

土石壩的壩型很多，如均質(zhì)壩、薄心墻壩、薄斜墻壩、厚心墻壩、厚斜墻壩、斜心墻壩等。而壩體防滲結(jié)構(gòu)形式—— 土斜墻和土心墻厚度的選擇主要由以下幾種因素確定：（1）填筑土料的安全滲透系數(shù)；（2）壩坡穩(wěn)定性要求；（3）心墻的邊坡；（4）施工要求等。目前，土石壩除險(xiǎn)加固防滲方案的選擇一般是憑經(jīng)驗(yàn)，或者只進(jìn)行簡(jiǎn)單的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較。不當(dāng)?shù)姆桨覆粌H造成資金浪費(fèi)，還挫傷了除險(xiǎn)加固的積極性。因此有必要從理論計(jì)算方面了解防滲體形式和位置對(duì)大壩除險(xiǎn)加固工程滲流穩(wěn)定的影響。本文擬以工程實(shí)際為背景，研究不同心墻尺寸（即厚度）、心墻位置（即垂直心墻和上游的斜墻）下的壩體滲流穩(wěn)定規(guī)律，計(jì)算不同防滲體形式下的壩體滲流量、壩坡穩(wěn)定系數(shù)、心墻下游面逸出高度、壩體下游逸出高度，以期選擇更好的加固防滲方案，發(fā)揮工程效益，節(jié)省加固投資。

2 研究方法

為了分析起見，根據(jù)工程實(shí)例選擇江西鄱陽(yáng)縣地區(qū)的某一加固土石壩，擬將原均質(zhì)土壩設(shè)計(jì)為最大壩高12.8 m，其中上游壩坡壩高8 m高程以上平整至1∶2.50，以下為1∶3.00；下游坡平整至1∶2.75，并增設(shè)貼坡排水的具有防滲體的非均質(zhì)土壩，該大壩為4級(jí)建筑物，水庫(kù)校核洪水位為11.33 m。

2.1 計(jì)算工況、計(jì)算方法及計(jì)算參數(shù)的確定

分析中大壩的土料特性指標(biāo)采用實(shí)測(cè)材料的特性指標(biāo)（見表1）。穩(wěn)定滲流期下游坡穩(wěn)定計(jì)算采用有效應(yīng)力法，土層參數(shù)選用c′、φ′指標(biāo)。庫(kù)水位非常降落時(shí)上游坡穩(wěn)定計(jì)算采用總應(yīng)力法，其中總應(yīng)力法土層參數(shù)選用c、φ指標(biāo)。由于篇幅有限我們僅給出最不利情況：滲流計(jì)算考慮水庫(kù)運(yùn)行時(shí)上游為校核洪水位與下游相應(yīng)的最低水位的水位組合情況；大壩壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算考慮穩(wěn)定滲流期時(shí)上游為校核洪水位形成的上游和下游壩坡穩(wěn)定，非穩(wěn)定滲流期的最不利組合—— 庫(kù)水位下降工況和上升工況上游面壩坡穩(wěn)定性分析。

2.2 防滲方案比選

根據(jù)工程特點(diǎn)和我國(guó)現(xiàn)階段土石壩防滲加固處理方法以及施工工藝，本次初步設(shè)計(jì)擬采用以下方案進(jìn)行比較。方案一到方案四均為沖抓套井回填粘土心墻方案。

方案一具體為：沿壩軸線處布置一排鉆孔，利用沖抓錐取土造井，再向套井內(nèi)分層回填粘土（層厚25～30 cm），由鉆機(jī)的動(dòng)力和卷?yè)P(yáng)設(shè)備帶動(dòng)夯錘加以夯實(shí)，形成一道連續(xù)的粘土防滲墻。墻頂高程11.83 m（高于校核洪水位0.50 m），墻底部至基巖面，墻體有效厚度0.80 m，最大墻高14.20 m。

方案二是在方案一的基礎(chǔ)上布置成兩排鉆孔，墻體有效厚度1.576 m，其他不變。

方案三是將方案一防滲心墻沿壩軸線上游側(cè)平移3 m，墻體有效厚度仍然為 0.80 m，其他不變；方案四是將方案二防滲心墻沿壩軸線上游側(cè)平移3 m，墻體有效厚度為1.576 m，其他不變。

方案五為粘土斜墻方案：在大壩上游面清除表層雜草和護(hù)坡體，加設(shè)粘土斜墻防滲，底部清至基巖面設(shè)置壩基粘土截水槽。斜墻頂部高程11.83 m（高于校核洪水位0.50 m），頂寬3.0 m，底部厚度3.50 m（大于1/5的水頭）。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

加固后有限元計(jì)算模型見圖1。

3.1 大壩滲流計(jì)算

對(duì)于大壩穩(wěn)定滲流（校核工況）采用了SEEP/W和理正巖土滲流軟件分別進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表1和圖2。

綜合分析以上穩(wěn)定滲流計(jì)算結(jié)果，可以看出以下幾點(diǎn)。

（1）所取防滲墻越厚，大壩總滲流量越小，所取的斷面處滲流量也越小，出逸點(diǎn)位置水頭亦越低，防滲效果越好。（2）防滲墻越靠近上游，大壩總滲流量越小，所取斷面處滲流量也越小，出逸點(diǎn)位置水頭亦越低，防滲效果越好。（3）在降低總滲流量和出逸點(diǎn)位置中，增加防滲墻厚度所取得的效果比向上游平移防滲墻的效果要好。從總滲流量和出逸點(diǎn)位置的優(yōu)勢(shì)來(lái)看，5種方案優(yōu)先選用次序?yàn)椋悍桨肝濉⒎桨杆摹⒎桨付⒎桨溉?、方案一?/p>

3.2 大壩壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算

壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算中，為了進(jìn)行上游壩坡的穩(wěn)定性分析，進(jìn)行了不穩(wěn)定滲流計(jì)算。庫(kù)水位降落時(shí)考慮最不利工況，即當(dāng)水庫(kù)大壩出現(xiàn)險(xiǎn)情，溢洪道和灌溉涵管同時(shí)滿負(fù)荷泄洪，水位從校核洪水位降至水庫(kù)死水位。水庫(kù)水位上升時(shí)仍按最不利工況，即水位從死水位上升至校核洪水位。計(jì)算結(jié)果見表2。表2給出了上下游壩坡在校核洪水位形成穩(wěn)定滲流時(shí)的最小安全系數(shù)。endprint

盡管理正邊坡穩(wěn)定分析軟件給出的上游最小安全系數(shù)幾個(gè)方案之間變化不大，但對(duì)于下游最小安全系數(shù)以及SLOPE/W給出的上游最小安全系數(shù)依然明顯表現(xiàn)出防滲墻越厚、防滲墻越靠近上游壩坡越安全的規(guī)律。

圖3給出了大壩在庫(kù)水位下降和上升時(shí)各方案的上游壩坡的穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果。

可以看出以下規(guī)律：

（1）隨著水位的下降，上游邊坡安全系數(shù)逐漸下降直至探底，然后會(huì)出現(xiàn)小幅度的上升。之所以出現(xiàn)探底主要是因?yàn)樵撍畮?kù)實(shí)際10 d就可以完成從校核水位（11.33 m）降至死水位（1.3 m），在這期間庫(kù)水位雖然下降但壩體內(nèi)的孔隙水壓力還沒(méi)有來(lái)得及消散，自由面在初期變化時(shí)壩體內(nèi)的水會(huì)向上游產(chǎn)生“倒流”現(xiàn)象，故而壩坡穩(wěn)定性下降很快。當(dāng)上游水位降到某一確定的水位，壩體內(nèi)的孔隙水壓力已逐漸消散時(shí)壩坡逐步變?yōu)楦善拢藭r(shí)各個(gè)方案的壩坡穩(wěn)定性便很接近了。（2）上游水位上升時(shí)，上游邊坡的安全系數(shù)是逐漸上升的。這是由于水位上升時(shí)，上游面壩坡存在坡外水體壓力作用，有利安全。（3）無(wú)論水位上升還是水位下降，上游壩坡的穩(wěn)定性均表現(xiàn)出防滲墻越厚、防滲墻越靠近上游壩坡越安全的規(guī)律。

4 結(jié)論與展望

通過(guò)結(jié)合工程實(shí)際，利用有限單元法對(duì)不同位置和不同厚度防滲墻的土石壩進(jìn)行滲流計(jì)算，得出采用防滲墻防滲的最佳方案。即防滲墻位置越靠近上游壩基，防滲效果越好；防滲墻設(shè)置越厚，防滲效果越好。該結(jié)論作者認(rèn)為是很重要的。但對(duì)于具體的工程而言，由于工程地質(zhì)條件復(fù)雜，且受施工條件的限制，再加上經(jīng)濟(jì)方面的考慮，不可能全部采用防滲墻在壩基最上游和防滲墻最厚的方案，但是可以在滿足地質(zhì)、施工和經(jīng)濟(jì)的條件下，把防滲墻盡量設(shè)置在靠壩基上游的位置和盡量選取較厚的防滲墻來(lái)防滲。對(duì)于新建造設(shè)計(jì)的土壩，防滲墻的位置和厚度往往不只局限于文中給出的選擇方案，因此基于滿足壩坡的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)和滲流量的控制，就安全因數(shù)更好地均衡和最小的壩體體積而論，還可以嘗試著改變垂直心墻的坡度以及傾斜度，進(jìn)一步深入研究來(lái)比選出更優(yōu)的設(shè)計(jì)方案來(lái)。

參考文獻(xiàn)

[1] 熊政，何蘊(yùn)龍，等.ADINA軟件在土石壩滲流場(chǎng)計(jì)算中的應(yīng)用[J].西北水力發(fā)電，2006（1）.

[2] 滕萬(wàn)軍，潘多助，李麗娟，等.西泉眼水庫(kù)土壩粘土心墻防滲效果分析[J]. 水利科技與經(jīng)濟(jì)，2003（1）.

[3] 趙琳，宓永寧，馮琳，等.土石壩滲流分析與自動(dòng)化觀測(cè)軟件研究[J].沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（21）.endprint

盡管理正邊坡穩(wěn)定分析軟件給出的上游最小安全系數(shù)幾個(gè)方案之間變化不大，但對(duì)于下游最小安全系數(shù)以及SLOPE/W給出的上游最小安全系數(shù)依然明顯表現(xiàn)出防滲墻越厚、防滲墻越靠近上游壩坡越安全的規(guī)律。

圖3給出了大壩在庫(kù)水位下降和上升時(shí)各方案的上游壩坡的穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果。

可以看出以下規(guī)律：

（1）隨著水位的下降，上游邊坡安全系數(shù)逐漸下降直至探底，然后會(huì)出現(xiàn)小幅度的上升。之所以出現(xiàn)探底主要是因?yàn)樵撍畮?kù)實(shí)際10 d就可以完成從校核水位（11.33 m）降至死水位（1.3 m），在這期間庫(kù)水位雖然下降但壩體內(nèi)的孔隙水壓力還沒(méi)有來(lái)得及消散，自由面在初期變化時(shí)壩體內(nèi)的水會(huì)向上游產(chǎn)生“倒流”現(xiàn)象，故而壩坡穩(wěn)定性下降很快。當(dāng)上游水位降到某一確定的水位，壩體內(nèi)的孔隙水壓力已逐漸消散時(shí)壩坡逐步變?yōu)楦善?，此時(shí)各個(gè)方案的壩坡穩(wěn)定性便很接近了。（2）上游水位上升時(shí)，上游邊坡的安全系數(shù)是逐漸上升的。這是由于水位上升時(shí)，上游面壩坡存在坡外水體壓力作用，有利安全。（3）無(wú)論水位上升還是水位下降，上游壩坡的穩(wěn)定性均表現(xiàn)出防滲墻越厚、防滲墻越靠近上游壩坡越安全的規(guī)律。

4 結(jié)論與展望

通過(guò)結(jié)合工程實(shí)際，利用有限單元法對(duì)不同位置和不同厚度防滲墻的土石壩進(jìn)行滲流計(jì)算，得出采用防滲墻防滲的最佳方案。即防滲墻位置越靠近上游壩基，防滲效果越好；防滲墻設(shè)置越厚，防滲效果越好。該結(jié)論作者認(rèn)為是很重要的。但對(duì)于具體的工程而言，由于工程地質(zhì)條件復(fù)雜，且受施工條件的限制，再加上經(jīng)濟(jì)方面的考慮，不可能全部采用防滲墻在壩基最上游和防滲墻最厚的方案，但是可以在滿足地質(zhì)、施工和經(jīng)濟(jì)的條件下，把防滲墻盡量設(shè)置在靠壩基上游的位置和盡量選取較厚的防滲墻來(lái)防滲。對(duì)于新建造設(shè)計(jì)的土壩，防滲墻的位置和厚度往往不只局限于文中給出的選擇方案，因此基于滿足壩坡的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)和滲流量的控制，就安全因數(shù)更好地均衡和最小的壩體體積而論，還可以嘗試著改變垂直心墻的坡度以及傾斜度，進(jìn)一步深入研究來(lái)比選出更優(yōu)的設(shè)計(jì)方案來(lái)。

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[3] 趙琳，宓永寧，馮琳，等.土石壩滲流分析與自動(dòng)化觀測(cè)軟件研究[J].沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004（21）.endprint

盡管理正邊坡穩(wěn)定分析軟件給出的上游最小安全系數(shù)幾個(gè)方案之間變化不大，但對(duì)于下游最小安全系數(shù)以及SLOPE/W給出的上游最小安全系數(shù)依然明顯表現(xiàn)出防滲墻越厚、防滲墻越靠近上游壩坡越安全的規(guī)律。

圖3給出了大壩在庫(kù)水位下降和上升時(shí)各方案的上游壩坡的穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果。

可以看出以下規(guī)律：

（1）隨著水位的下降，上游邊坡安全系數(shù)逐漸下降直至探底，然后會(huì)出現(xiàn)小幅度的上升。之所以出現(xiàn)探底主要是因?yàn)樵撍畮?kù)實(shí)際10 d就可以完成從校核水位（11.33 m）降至死水位（1.3 m），在這期間庫(kù)水位雖然下降但壩體內(nèi)的孔隙水壓力還沒(méi)有來(lái)得及消散，自由面在初期變化時(shí)壩體內(nèi)的水會(huì)向上游產(chǎn)生“倒流”現(xiàn)象，故而壩坡穩(wěn)定性下降很快。當(dāng)上游水位降到某一確定的水位，壩體內(nèi)的孔隙水壓力已逐漸消散時(shí)壩坡逐步變?yōu)楦善拢藭r(shí)各個(gè)方案的壩坡穩(wěn)定性便很接近了。（2）上游水位上升時(shí)，上游邊坡的安全系數(shù)是逐漸上升的。這是由于水位上升時(shí)，上游面壩坡存在坡外水體壓力作用，有利安全。（3）無(wú)論水位上升還是水位下降，上游壩坡的穩(wěn)定性均表現(xiàn)出防滲墻越厚、防滲墻越靠近上游壩坡越安全的規(guī)律。

4 結(jié)論與展望

通過(guò)結(jié)合工程實(shí)際，利用有限單元法對(duì)不同位置和不同厚度防滲墻的土石壩進(jìn)行滲流計(jì)算，得出采用防滲墻防滲的最佳方案。即防滲墻位置越靠近上游壩基，防滲效果越好；防滲墻設(shè)置越厚，防滲效果越好。該結(jié)論作者認(rèn)為是很重要的。但對(duì)于具體的工程而言，由于工程地質(zhì)條件復(fù)雜，且受施工條件的限制，再加上經(jīng)濟(jì)方面的考慮，不可能全部采用防滲墻在壩基最上游和防滲墻最厚的方案，但是可以在滿足地質(zhì)、施工和經(jīng)濟(jì)的條件下，把防滲墻盡量設(shè)置在靠壩基上游的位置和盡量選取較厚的防滲墻來(lái)防滲。對(duì)于新建造設(shè)計(jì)的土壩，防滲墻的位置和厚度往往不只局限于文中給出的選擇方案，因此基于滿足壩坡的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)和滲流量的控制，就安全因數(shù)更好地均衡和最小的壩體體積而論，還可以嘗試著改變垂直心墻的坡度以及傾斜度，進(jìn)一步深入研究來(lái)比選出更優(yōu)的設(shè)計(jì)方案來(lái)。

參考文獻(xiàn)

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