土石壩除險加固過程中防滲墻缺陷對滲流穩定性的影響

劉炳明，張慶波，王海青

（1.江蘇省連云港市贛榆區城頭鎮水利管理服務站，江蘇 連云港 222100；2.江蘇省連云港市贛榆區水利局，江蘇 連云港222100；3.江蘇省連云港市贛榆區機電排灌管理站，江蘇 連云港 222100）

0 引言

水是影響巖土體材料抗剪性質主要因素，土石壩在長期的水位變化過程中，壩體內部發生滲流作用，影響土石壩材料特性，進而對壩體穩定性造成影響[1-3]。

對于覆蓋層較厚的壩體，采用混凝土防滲墻作為防滲體是一種經濟有效的處理方式[4-5]。防滲墻施工工藝在實際施工的過程中，施工質量難以把握，防滲墻墻體易出現施工缺陷，例如厚薄不均、空洞等現象，這些缺陷可能對原設計的防滲效果造成嚴重影響[6-8]。

利用有限元SEEP/W 軟件，對不設置防滲墻和有防滲墻缺陷的壩體進行滲流分析。

1 模型的建立及模型參數

某小型農田水庫總庫容大約為12000000 m3，原設計壩頂寬為7 m，壩頂高程為50 m，壩身為碾壓式均質土石壩。土石壩經過多年運行，壩體出現滲漏，土石壩的下游坡段出現大面積的坍塌，水庫的安全運行受到嚴重影響。通過綜合分析，需要對土石壩進行防滲加固，降低壩體的浸潤線。土石壩全貌圖見圖1。

圖1 土石壩全貌圖

庫岸岸坡為粘土心墻土石壩，依據相關試驗以及規范[9]，對巖土體相關物理參數進行經驗取值，土體采用非線彈性的鄧肯張模型，壩坡相關的物理力學參數見表1。

表1 坡體相關物理力學參數

利用SEEP/W 軟件，對設置防滲墻前后的壩體進行滲流和穩定性分析。

2 防滲墻設置前壩體有限元

選取DK6+000 斷面進行滲流分析，并在該斷面安裝測壓管，分析設置防滲墻前后壩體的水頭變化，防滲墻測壓管安裝示意圖，見圖2。

圖2 DK6+000 斷面處測壓管安裝示意圖

在該斷面共安裝了4 個測壓管，斷面中，位置水頭為35 m。在設置防滲墻前，設置上游水頭為5.5 m，對自由水面和上游水頭均未設定。利用測壓管監測下游邊界的水頭，Phase2 計算得到的DK6+000 斷面處總水頭曲線見圖3，計算得到的設置防滲墻前壩坡下游側的總水頭曲線見圖4，設置防滲墻前壩體各部分的滲流量見圖5。

圖3 DK6+000 斷面處總水頭曲線

圖4 設置防滲墻前下游總水頭曲線

圖5 設置防滲墻前壩體各部分的滲流量

根據滲流理論中水頭計算公式，壓力水頭= 總水頭-位置水頭，從圖3 和圖4 中可看出從上游到下游，未設置防滲墻前壓力水頭介于1 m～5.5 m 之間，符合實際情況。從圖5 中可看出，墻身的滲流量幾乎占了總滲流量的90%，這是由于粉砂層的滲透系數遠遠大于其余土層的滲透系數，在該土石壩防滲加固過程中，應著重考慮對粉砂層的處理。

3 防滲墻缺陷對土石壩滲流的影響

對原壩體進行防滲加固處理，擬采用高壓噴射灌漿來設置防滲墻。高壓噴射灌漿是通過其高壓力作用，對地層進行攪拌和切割，然后灌入水泥砂漿，使水泥砂漿與原土體混合，來提高原土體的固結性，降低原土體的滲透性。

但在實際施工過程中，很難把握好施工質量，防滲墻墻體易出現施工缺陷，例如厚薄不均、空洞等現象，這些缺陷可能對原設計的防滲效果造成嚴重影響，本節將對防滲墻出現缺陷時的壩體進行滲流穩定性分析。

原壩體的填筑土層有四層，假設每個土層均有一個孔洞，直徑0.5 m，利用測壓管監測防滲墻出現這些孔洞時下游側的水頭曲線。防滲墻出現缺陷時壩體下游側的水頭曲線見圖6。

圖6 防滲墻出現缺陷時壩體下游側的水頭曲線

由圖6 中分析結果可知，當防滲墻中出現缺陷時，由于粉砂層的滲透系數最大，土層③的水頭下降幅度最大，粘土的滲透系數較低，土層①的水頭下降幅度最小。

由于粉砂層的滲透系數最大，在土石壩防滲加固處理時，應著重對粉砂層進行處理，防滲墻出現缺陷時不同土層的滲流量見圖7，設置防滲墻后粉砂層出現缺陷時與未設置防滲墻時壩體滲流量對比結果見圖8，設置防滲墻后粉砂層存在缺陷時的自由面和等勢線見圖9，設置防滲墻后粉砂層存在缺陷時的壩體滲流分析見圖10。

圖7 防滲墻出現缺陷時不同土層的滲流量對比

圖8 無防滲墻時與防滲墻粉砂層有缺陷時壩體滲流量對比

圖9 防滲墻粉砂層存在缺陷時的自由面和等勢線

圖10 防滲墻粉砂層存在缺陷時壩體滲流情況

由上述分析結果可知，防滲墻出現缺陷時對壩體防滲效果影響較大，設置防滲墻后，如果墻體出現缺陷，壩體的滲流路徑發生改變，滲流路徑將會變短，滲流量增大，巖層的滲透系數越大，防滲墻缺陷對壩體滲流的影響越大。

由圖8 可以看出，設置防滲墻后，當粉砂層存在缺陷時，其滲流量與未設置防滲墻時的滲流量相比，防滲效果極其差，幾乎失去了設置防滲墻的意義。

由圖9 和圖10 可以看出，當防滲墻粉砂層存在缺陷時，在缺陷處，等勢線發生突變，滲流路徑發生改變，防滲加固效果會明顯減弱。

4 結論

利用有限元SEEP/W 軟件，對不設置防滲墻和有防滲墻缺陷的壩體進行滲流分析。

防滲墻體存在缺陷時對壩體內自由面的影響很大，因此防滲墻缺陷對壩體防滲效果產生很大影響。假定防滲墻的四個土層均出現空洞，當缺陷所在的土層滲透系數越大時，防滲墻的防滲效果就越差，當防滲墻粉砂層中出現0.5 m 的空洞時，防滲效果極其差，幾乎失去了設置防滲墻的意義。

在施工的過程中，控制施工速度，采用高壓噴射灌漿時，應使水泥砂漿與原土體充分混合。還應控制好混凝土的養護齡期，同時保證后期堤壩有良好的導滲排水能力，以便在水庫水位下降時庫岸土體中的孔隙水壓力能快速消散，以免產生滑坡和滲透變形。