均質(zhì)土石壩放水涵洞滲流與穩(wěn)定分析

張立新，韓仲凱，楊令強(qiáng)

（1.山東省水利科學(xué)研究院、山東水利巖土工程公司，山東 濟(jì)南 250014；2.濟(jì)南大學(xué)土木建筑學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022）

均質(zhì)土石壩放水涵洞滲流與穩(wěn)定分析

張立新1，韓仲凱1，楊令強(qiáng)2

（1.山東省水利科學(xué)研究院、山東水利巖土工程公司，山東 濟(jì)南 250014；2.濟(jì)南大學(xué)土木建筑學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022）

在水庫(kù)的除險(xiǎn)加固中，越來(lái)越多采用后置閘門控制，存在放水涵洞可能在不同部位發(fā)生破壞，形成水壓力較高的滲水源點(diǎn)。這些滲水源點(diǎn)將不同程度的抬高壩體的浸潤(rùn)線，對(duì)土石壩的滲漏量和壩坡的穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。考慮到放水涵洞破壞點(diǎn)的隨機(jī)性，本文使用有限元軟件對(duì)放水涵洞不同位置破壞的情況建模分析，研究放水涵洞破壞對(duì)均質(zhì)土石壩滲流與穩(wěn)定的影響。

均質(zhì)土石壩；放水涵洞；滲流；穩(wěn)定

采用放水涵洞后置閘門控制的土石壩，具有造價(jià)低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工管理方便等優(yōu)點(diǎn)，但是從工程結(jié)構(gòu)合理性方面分析，壩后閘門控制方式也存在著一些問(wèn)題。主要表現(xiàn)在放水涵洞的運(yùn)行狀態(tài)的改變，放水涵洞由長(zhǎng)期不受水壓力狀態(tài)變?yōu)殚L(zhǎng)期有壓狀態(tài)，壓力水頭與庫(kù)水位相等。在長(zhǎng)期的水壓力作用下，涵管結(jié)構(gòu)的薄弱處容易發(fā)生疲勞破壞，加之閘門在啟閉的條件下會(huì)產(chǎn)生水擊，容易造成涵管的破裂。放水涵洞某一部位破壞，在設(shè)計(jì)水位的壓力下，該部位將向壩體滲水，和壩體正常滲流所產(chǎn)生的滲流場(chǎng)疊加，對(duì)土石壩的滲漏量和壩坡的穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。本文利用有限元軟件Seep3D，模擬放水涵洞在不同位置發(fā)生破壞的情況，分析放水涵洞破壞點(diǎn)的位置對(duì)土石壩的滲流和穩(wěn)定的影響。

1 工程實(shí)例

某水庫(kù)控制流域面積13km2，總庫(kù)容368萬(wàn)m3，水庫(kù)于1957年5月建成，主壩為均質(zhì)土壩，全長(zhǎng)239.0 m，壩頂寬5.0 m，壩頂高程為79.5 m，最大壩高 25.1 m。大壩上游壩坡為 1∶3；下游壩坡為 1∶2.5。筑壩材料為粉質(zhì)壤土，滲透系數(shù)為6.04×10-6cm/s，壩基為不透水巖基。水庫(kù)上游正常蓄水位76.75 m，下游無(wú)水。下游坡腳設(shè)排水棱體。放水洞位于土石壩底部，采用壩后閘門控制，斷面結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

由于使用年限較長(zhǎng)，放水涵洞內(nèi)混凝土涵管出現(xiàn)裂縫，裂縫向壩體滲水嚴(yán)重，與土石壩正常滲流場(chǎng)疊加，對(duì)土石壩的滲流和穩(wěn)定性均產(chǎn)生不利影響。

圖1 土石壩放水洞斷面結(jié)構(gòu)示意圖

2 滲流模型的建立

2.1 有限元模型的建立

Seep3D是一款針對(duì)真實(shí)三維滲流問(wèn)題開(kāi)發(fā)的一款有限元軟件。使用Seep3D可以快速建立模型，對(duì)模型的材料屬性、邊界條件進(jìn)行定義，然后進(jìn)行計(jì)算求解，在三維界面就可以查看等值面和流線等結(jié)果。對(duì)模型關(guān)鍵部位進(jìn)行剖分，利用專業(yè)的數(shù)據(jù)處理工具可以對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行快速而精確的分析。

由于放水涵洞混凝土涵管的破壞位置是隨機(jī)的，本文從放水洞入水口開(kāi)始，每隔12 m假設(shè)一個(gè)與壩軸線方向平行的長(zhǎng)1 m、寬3 cm的破壞點(diǎn)，共假設(shè)11個(gè)破壞點(diǎn)，對(duì)這11種工況下土石壩的滲流與穩(wěn)定進(jìn)行分析，與放水洞沒(méi)有破壞的情況進(jìn)行比較，分析放水涵洞不同的破壞點(diǎn)對(duì)土石壩滲流和穩(wěn)定的影響。

為方便建模，縮短計(jì)算時(shí)間，在不影響模擬精度的基礎(chǔ)上，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化：

1）忽略下游反濾層對(duì)滲流的影響；

2）忽略上下游護(hù)坡對(duì)滲流的影響；

3）實(shí)際壩長(zhǎng)239.0 m，取放水洞兩側(cè)各18.65 m建立模型。

土石壩模型典型三維網(wǎng)格剖分見(jiàn)圖2。模型采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元和六節(jié)點(diǎn)三棱柱單元。

圖2 土石壩模型典型三維網(wǎng)格剖分

2.2 壩體材料參數(shù)選定

壩體滲流參數(shù)主要包括容重、滲透系數(shù)、抗剪強(qiáng)度等物理和力學(xué)指標(biāo)。本文參數(shù)的選取是在工程地質(zhì)勘察和土工試驗(yàn)的基礎(chǔ)上慎重選取的，參數(shù)如表1所示。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)表

3 滲流穩(wěn)定分析

3.1 臨界滲透坡降的計(jì)算

進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析，首先應(yīng)該通過(guò)已有的數(shù)據(jù)得出壩體允許滲透坡降的值。當(dāng)滲透力能夠克服土顆粒間的黏聚力和內(nèi)摩擦力，使土顆粒進(jìn)入懸浮狀態(tài)時(shí)的滲透比降稱為臨界滲透坡降。

1）按照達(dá)西定律計(jì)算滲透坡降J：

式中：J為水頭坡降；ΔH為水頭差；L為滲透路徑長(zhǎng)度。

2）臨界滲透坡降按下式計(jì)算：

式中：Ja為臨界滲透坡降；rs為土體重度；r0為水重度；n為土體孔隙率。

3.2 滲流計(jì)算

經(jīng)計(jì)算，發(fā)生流土的臨界滲透坡降為0.783。按照式（1）、（2）滲透坡降計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 2。

表2 滲流計(jì)算結(jié)果

由表2通過(guò)差值可得，破壞點(diǎn)到放水洞入水口的距離小于76.08 m時(shí)，壩體的滲透坡降小于臨界滲透坡降，大壩不會(huì)發(fā)生滲透變形破壞，土石壩是穩(wěn)定的。破壞點(diǎn)距離入水口距離大于76.08時(shí)，壩體滲透坡降大于臨界滲透坡降，土石壩有可能發(fā)生滲透破壞。

隨著放水涵洞破壞點(diǎn)距離入水口距離的增加，土石壩模型的滲流量由0.701 m3/d增加到1.434 m3/d，滲流量明顯增多。

4 壩坡抗滑穩(wěn)定分析

土石壩壩坡抗滑計(jì)算應(yīng)采用剛體極限平衡法。對(duì)于均質(zhì)壩，《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦采用記及條間作用力的簡(jiǎn)化畢肖普法。

考慮到放水涵洞破壞產(chǎn)生的滲流場(chǎng)與正常滲流場(chǎng)疊加主要抬高下游邊坡浸潤(rùn)線，對(duì)下游壩坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。本文使用巖土工程分析軟件GeoStudio對(duì)土石壩下游邊坡進(jìn)行抗滑穩(wěn)定性計(jì)算，下游壩坡的安全系數(shù)計(jì)算見(jiàn)表3。

對(duì)比表3不同工況下土壩最小安全系數(shù)：

1）破壞點(diǎn)距放水涵洞入水口≦79.02 m時(shí)，放水涵洞破壞對(duì)壩坡抗滑穩(wěn)定幾乎沒(méi)有影響。

2）破壞點(diǎn)距放水洞入水口≥91.02 m時(shí)，隨著距離的增加，放水洞破壞明顯抬高壩體浸潤(rùn)線，對(duì)土壩壩坡整體穩(wěn)定的不利影響逐漸加大。

表3 壩坡穩(wěn)定計(jì)算成果

3）破壞點(diǎn)距放水洞入水口≥115.02 m時(shí)，浸潤(rùn)線抬高影響的壩坡土體體積變小，土壩壩坡整體穩(wěn)定的最小安全系數(shù)有一定程度的增大。

根據(jù) 《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》[SL252-2000]，水庫(kù)總庫(kù)容 368萬(wàn) m3，工程規(guī)模為小（Ⅰ）型，主要建筑物等級(jí)為4級(jí)。《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》[SL274-2001]規(guī)定非常運(yùn)用條件Ⅰ類壩坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)為1.15。土石壩最危險(xiǎn)滑弧安全系數(shù)為1.346，不會(huì)發(fā)生壩坡穩(wěn)定破壞。

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用有限元軟件Seep3D對(duì)12種工況下的均質(zhì)土石壩進(jìn)行了滲流和穩(wěn)定分析。結(jié)果表明，放水涵洞的破壞對(duì)該大壩產(chǎn)生不利影響：放水涵洞破壞一方面抬高壩體浸潤(rùn)線，降低下游壩坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；另一方面壩體內(nèi)部最大滲透坡降有可能超過(guò)臨界滲透坡降，土石壩有發(fā)生滲透變形破壞的可能。為了確保水庫(kù)大壩的安全運(yùn)行，在土石壩的運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)對(duì)大壩進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析，一旦發(fā)現(xiàn)放水涵洞破壞，對(duì)其進(jìn)行及時(shí)的加固修理。

[1] 陳建設(shè)．小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固中放水涵洞改造與應(yīng)急放水結(jié)合的探討[J].中國(guó)西部科技，2011，10(35)： 9-12.

[2] 謝國(guó)強(qiáng)．水庫(kù)土壩壩內(nèi)輸水涵洞的裂縫處理分析[J].黑龍江水利科技，2014，2： 132-134.

[3] 王榮榮，劉偉，孫彬彬．小型水庫(kù)壩內(nèi)輸水涵洞漏水的處理探討[J].中國(guó)水運(yùn)，2012，11： 158-159.

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（責(zé)任編輯 遲明春）

張立新（1966—），男，高級(jí)工程師