貼坡排水加高對水庫壩體滲流與穩定的影響研究

徐繼紅

(新疆塔里木河流域希尼爾水庫管理局，新疆 庫爾勒 841000)

貼坡排水加高對水庫壩體滲流與穩定的影響研究

徐繼紅

(新疆塔里木河流域希尼爾水庫管理局，新疆 庫爾勒 841000)

對土壩下游貼坡式加高過程中面臨的滲流、穩定等問題進行計算研究,利用有限元法計算滲流場,比對計算各種情況下的穩定滲流情況,采用簡化的B i s ho p法,考慮孔隙水壓力計算壩坡穩定安全系數,對比增加防滲排水設施前后壩體穩定情況。經計算發現,下游貼坡加高會違反防滲原則,導致壩體滲流穩定出現問題。針對可能出現的問題提出了解決方法,最后得出增加水平排水的方案對于降低浸潤線最為有效。

土壩;滲流穩定;有限元;B i s ho p法

土石壩在我國壩工建設中占有舉足輕重的位置，其數量占大壩總數的80%以上［1］，但目前我國已建成的1/4大、中型和2/5的小型水庫屬于病險水庫［2］，而對大壩采取加高方式來滿足防洪要求是最為常見的除險加固處理方案，因此探討土壩加高中存在的問題及研究解決具有重要意義。

目前土壩加高方式主要有上游貼坡式加高、下游貼坡式加高和騎馬式加高三種［3-5］。上游貼坡式加高受上游淤積影響和水庫排空問題限制，騎馬式加高往往難以滿足壩坡穩定的要求，因此這兩種方式應用均較少，下游貼坡式加高是應用最為廣泛的土壩加高方式。由于土壩大多就地取材，選料會受到當地土料的限制，新加壩體的密實度要達到規范要求，其滲透系數會比原有上游壩體小，這不符合土壩的防滲原則(上防下排)，必然造成壩體浸潤線抬高，使得滲流出逸點很高，并對下游壩坡穩定不利。對該問題本文將探討不同處理方案的優缺點。

1 問題分析及計算原理

壩體加高后，內部浸潤線很高，原因是土料的布置違反了土壩“上防下排”的反濾布置原則，下游加高壩體滲透系數較大，壩內水無法順利排出，將滲流區域行單元劃分后，以節點水頭H作為待求值，可以得到以下公式:

式中:K為單元滲透系數矩陣。

分析新老壩體結合處的節點水頭可知，新壩體的滲透系數較小，導致節點水頭較大，這是下游貼坡式加高壩體浸潤線較高的原因。同時，壩內的浸潤線較高，若不采取任何措施，溢出點會很高，壩后貼坡排水高程勢必要增加，這在工程實際中是不現實的，因此必須采取措施降低浸潤線。

壩內大量土體含水量較高導致了壩體土料的抗剪強度參數降低，在壩內孔隙水壓力的作用下，土體穩定安全系數降低，使得土壩存在安全隱患。為解決這個問題，在土壩上游及淤泥體表面增設防滲體，以求減少滲流量，達到“上防”的目的;或者在下游加高壩體與原壩體之間增設排水設施，使壩體內部水得以排出，達到“下排”的效果。

利用二維滲流有限元分析基本方程迭代計算每種方案各工況下的浸潤線及滲流量，利用滲流場計算結果，在考慮孔隙水壓力的情況下反復試算找出壩坡最危險滑裂面，最后利用B i s ho p法試算得出壩坡穩定安全系數。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

某水庫大壩為碾壓式黃土均質壩，壩底高程為1705m，壩頂高程為1730m，原壩高25m，壩頂寬為6m，上游坡比為1∶2.5，下游坡比為1∶2.25，壩體加高后下游坡比為1∶3，下游無水。庫內淤積十分嚴重，總庫容為884萬m3，水庫淤積量達422.6萬m3，水庫調洪能力減小，不能正常發揮作用，采用下游貼坡加高進行除險加固，經計算確定下游貼坡加高7m，土料計算參數見表1。

表1 壩體填土物理力學指標

2.2 解決方案探討

為達到降低浸潤線、提高穩定安全系數的目的，擬采用以下三種方案。

方案一:在新加高壩體底部布設透水性較強的砂石料(類似褥墊排水)，以降低壩體浸潤線。

方案二:在筑壩當地沒有適宜做排水體的材料時，通過在上游壩坡面新增防滲體解決浸潤線過高的問題，可采用在上游壩面鋪設土工膜方式防滲。

方案三:若土壩級別不高，則可降低新加高壩體密實度，使得新加壩體滲透系數等于原壩體滲透系數，解決土料配置違反防滲布置原則的問題。

這三種方案主要影響浸潤線和滲漏量的大小，因此三種方案對下游壩坡影響較大而對上游壩坡的影響并不顯著。

2.3 三種方案對比計算分析

(1)各方案浸潤線對比。分別計算三種方案不同工況下壩體內部浸潤線，其中排水體厚度為3.5m，土工膜防滲體的滲透系數取10-11c m/s。

通過浸潤線計算可知，采取壩后水平排水措施對降低浸潤線更有效，在壩體上游增設土工膜防滲體的措施次之，而減小土壩密實度的方案對于降低壩體內部浸潤線效果并不理想。原因是土工膜覆蓋范圍有限，如此例中，土工膜只能覆蓋在上游壩坡及淤泥體的水平面上，在淤泥體的豎直面上無法鋪設土工膜，而且土工膜在實際使用中也有頂破失效的風險。至于方案三中減小下游加高壩體密實度的做法，在水位較低時，對降低浸潤線尚可起到一定作用，但是當壩前水位達到校核洪水位時，浸潤線依舊較高，壩體仍然存在滲透破壞的風險。鑒于此，對于等級較高的土壩不建議采用此方案。在下游增加水平排水可以使排水體透水系數增大，滿足透水需要，使得壩內水可以順利排出壩體，因此這個方案可以收到較好的效果。但是，從經濟上來講，設置人工排水也會加大施工難度，增加投資。

(2)各方案滲流量、溢出點高程與滲透坡降對比。分別計算不同方案的單寬滲流量、溢出點高程及滲透坡降以求進一步對各方案的優劣進行對比分析。不同工況下下滲流量、溢出點高程及滲透坡降計算結果見表2。

表2 不同工況下溢出點高程及滲透坡降

對比壩坡穩定安全系數可以看出，采用方案一時，當土壩上游水位由正常蓄水位升高到校核洪水位時對壩坡穩定安全系數的影響較小，原因是在壩后增加水平排水后，浸潤線隨水位升高的幅度不大。顯然，這樣的結果對土壩安全更為有利。

(3)各方案下游壩坡穩定安全系數對比。從表3可以看出，采取砂礫石排水的方案一不僅可以有效降低浸潤線，而且可以提高穩定安全系數。

表3 下游壩坡穩定安全系數

(4)各方案工程造價對比。土壩碾壓要達到的密實度越大則施工難度越大，造價越高，可以看出方案三的造價最低。對于方案一而言，人工排水材料不同，造價不甚相同，但變化幅度不大，以礫石為例，取1m壩長進行計算，算得本例中防滲體部分造價為10150元。而上游土工膜防滲及土工膜所需上下墊層總價不超過5500元，但是上游壩坡處有礫石層，鋪設土工膜時，為防止頂破需拆除礫石護坡，會增加工程造價。而對于方案三而言，無需設置防滲排水，不會增加額外的造價。很明顯，方案一、二造價較高，方案三造價較低。

3 結果分析

壩后排水方案對降低壩體浸潤線、提高壩坡安全穩定系數最為有效，原因是壩后排水體滲透系數大，可以有效排出壩體內部積水，但同時造價也最高，且壩后水平排水有淤塞失效的危險，因此在實際工程中除了應設置反濾層之外，還應結合其他方案進行防滲排水，比如與壩前土工膜防滲方案綜合使用。

降低加高壩體密實度及滲透系數的方案效果較差，但是也可以起到一定的作用，而且造價較低，適用于土壩等級較低的工程。但是需要注意的是，下游加高壩體的密實度較低，下游壩坡穩定系數會因此受到一定影響。另外，對于有些原壩體的密實度不滿足規范要求的土壩，不能使用此方案。

土工膜防滲體的方案居中，原因是上游增設土工膜后可以有效減小進入壩體內部的水，從而降低浸潤線，提高穩定性。但是，土工膜是一種復合材料的薄膜，實際工程中有被頂破的可能，此時土工膜無法有效阻擋水浸入壩體，有可能帶來滲流、穩定等多方面的問題。

在工程實踐中應綜合考慮筑壩當地實際情況及工程造價等因素進行方案選擇，也可結合三種方案綜合設計防滲排水方案。

4 結論

(1)下游貼坡式加高是一種十分普遍的土壩加高方式，但是通過分析和計算可以發現，這種加高方式面臨著滲流和穩定兩方面的問題。

(2)采用增設水平排水、土工膜防滲體或降低加高壩體密實度的措施可以降低浸潤線，提高壩體穩定性。通過對比計算可以發現，幾種方案各有利弊，實際工程可以借鑒此計算結果，根據不同工程情況，采取不同的措施。

(3)從土壩安全角度考慮，在壩后增設水平排水的方案更好，此方案下不僅土壩浸潤線較低，滲流量較小，下游壩坡穩定安全系數較高，而且土壩的各項指標隨水位的變化較小，更有利于壩體安全。實際工程中應根據具體情況選擇方案，或者綜合三種方案中的兩種進行設計。

［1］焦建華.水利水電工程設計中滲流計算的探討［J］.水利技術監督，2007(05):46-48.

［2］張衛東，徐永兵.大壩滲流分析模型與分析方法研究［J］.水利規劃與設計，2007(06):34-36.

［3］王新奇，孫勝利，趙洪嶺.邊坡穩定分析方法評述與應用［J］.水利技術監督，2010(01):7-10.

［4］易謝冰.明月水庫滲流及抗滑穩定分析計算［J］.水利規劃與設計，2010(05):91-93.

［5］申蓮.希尼爾水庫大壩滲流監測安全評價［J］.水利規劃與設計，2014(10):83-88.

P 642.22

A

1008-1305(2016)05-0102-02

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.05.035

2015-03-18

徐繼紅(1970年—)，女，技術員。