土石壩壩體排水方式的分析與比較

孫鵬明， 葉 宏，于建忠，王 飛，汪 科

(1.江蘇省太湖水利規劃設計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215128；2. 河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098) ；3.泰州市姜堰區梁徐街道水利管理服務站，江蘇 泰州 225526；4.江蘇恪同工程咨詢有限公司，江蘇 徐州 221000)

土石壩主要由壩址附近的土石料填筑壓實而成，而土石料為散粒體結構，壓實后其顆粒間仍存在著大量的孔隙，具有一定的透水性。為及時排出壩體內土石料顆粒間的孔隙水，降低壩體浸潤線，防止發生滲透破壞和壩坡失穩滑動，需設置壩體排水[1- 4]。常見的壩體排水形式主要有棱體排水、豎式排水、水平排水、貼坡式排水和綜合式排水等[5]。為精確分析不同排水方式間的差異，本文選取某均質土壩典型斷面，采用有限元仿真計算分析方法，對棱體排水、豎式排水和貼坡式排水三種情況下的壩體二維滲流和壩坡穩定計算進行分析，提出不同情況下的優選方案，為土石壩排水設計比選提供參考。

1 土石壩常見排水體特點

土石壩常見的壩體排水方式有以下幾種，其各有特點[1- 4]。

棱體排水，又稱濾水壩址，是在下游坡腳緊貼壩坡用塊石堆筑而成的排水設施。可降低壩體浸潤線，防止壩坡凍脹破壞和滲透變形、保護壩腳免受尾水淘刷，且對壩坡有一定支撐作用。但石料用量較大，費用相對較高，排水體與壩體的施工存在一定干擾。

豎式排水，又稱上昂式排水或煙囪式排水，一般位于壩體中央或偏下游處，常與鋪設在壩底的水平排水設施結合形成壩體排水系統。該排水能有效地降低壩體浸潤線，一般用料較排水棱體經濟。對于大部分為粘性土或下游部位土料的不均勻性為水平成層時，更能有效地降低壩體浸潤線，并可在施工期間加速壩體土料固結。但排水體施工相對復雜，檢查、維修不便。

褥墊排水，從下游壩趾開始，成片連續沿壩體與壩基接觸面水平伸入壩體的一種平鋪式排水。這種排水型式利于壩基排水，能顯著降低壩體浸潤線。但對壩基的不均勻沉降適應性較差，排水層易斷裂，檢查、維修困難。一般適用于下游水位很低且需要大幅降低浸潤線的情況。

貼坡排水一般設置在下游壩坡表面，具有構造簡單、材料省、造價低、維修易的優點。但不能降低浸潤線，且易受冰凍而失效。常用于壩體設有防滲墻或中小型工程下游無水的均質壩或浸潤線較低的中等高度壩。

綜合排水，為充分發揮各種型式排水的優點，根據工程特點將貼坡排水、褥墊排水、棱體排水、豎向排水中的兩種或多種組合而成的排水設施。

2 土石壩滲流和穩定性分析理論及方法

2.1 土石壩二維滲流基本方程

土石壩滲流計算是在已知定解條件下求解滲流基本方程，以求得滲流場內的浸潤線、滲流量、水力坡降等水力要素，以供在土石壩設計以及運行管理中有效地控制滲流[6- 8]。

不可壓縮流體在剛性介質中的二維穩定滲流基本方程為：

(1)

式中，h—水頭函數；kx、ky—x、y方向的滲透系數。

當考慮土和水的壓縮性時，土石壩二維非穩定滲流基本方程為：

(2)

式中，Ss—貯水率。

上述微分方程的定解條件為：

初始條件

h|t=0=h0(x，y，t)

(3)

邊界條件

水頭邊界：

h|Γ1=f1(x，y，t)

(4)

流量邊界：

(5)

式中，h0(x，y，t)—土石壩二維域內各點水頭值；Γ1、Γ2—已知水頭值和流量值的邊界曲面；kn—曲面Γ2的法向滲透系數；f1(x，y，t)—邊界Γ1上的已知水頭值；f2(x，y，t)—邊界Γ2上的已知流量值。

2.2 土石壩邊坡穩定分析方法

DL/T5395—2007《碾壓式土石壩設計規范》[5]指出，壩坡抗滑穩定計算應采用剛體極限平衡法，其方法是將邊坡土體劃分為若干小的土條，根據每個土條的平衡條件推導整個邊坡的穩定性。根據不同的使用條件，主要有瑞典條分法、簡化Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法等。其中，簡化Bishop法考慮了土條間水平力的作用，建立了土條豎向力平衡和整體力矩平衡，計算結果能夠滿足工程計算精度要求[9- 11]。因此，選擇簡化Bishop法作為土石壩邊坡穩定計算方法。

簡化Bishop法基本公式為：

(6)

(7)

3 實例分析

3.1 工程概況

某均質土壩為Ⅲ等3級建筑物，壩頂高程為1068.5m，壩頂寬8.0m，壩基置于弱風化巖體上，壩基建基面高程為1029.0m，右岸側抬高至1035.0m，最大壩高為39.5m，總長度為515.0m。壩體上游壩坡自上而下坡比分別為1∶3.0、1∶3.5，下游壩坡自上而下坡比分別為1∶2.75、1∶3.0。上、下游壩坡在高程1059.0m處分別設一級寬2.0m和3.0m的馬道。

為對比分析棱體排水、豎式排水和貼坡排水三種方案下壩體滲流特性和壩坡穩定，在工程基礎上分別設置三種排水設施，其中，棱體排水設置于下游壩坡坡腳處，排水體頂高程為1045.0m，頂部寬度為3.5m，上下游坡比分別為1∶1和1∶2；豎式排水設置于下游壩坡坡頂處，寬度為1.0m，底部設0.8m厚水平排水將滲水排至下游；貼坡排水沿下游壩坡設置，頂部高程為1045.0m。

3.2 有限元分析模型

由于大壩壩基全部清除基巖強風化層及河床覆蓋層，將壩基置于相對較完整的弱風化巖體上部，壩基巖體呈水平層狀結構。因此，均質土壩的滲流計算和穩定分析選取最大剖面即標準斷面作為計算的典型剖面。

根據三種不同的排水方案，分別建立了對應的二維有限元模型，如圖1所示，圖中坐標為自定義坐標系，其中X軸自上游指向下游，Y軸沿高程方向。在本次計算分析中，模型上、下游長度取約2倍的壩高；基礎深度范圍從建基面向下取1倍壩高。模型包括了可能影響計算域滲流場的主要邊界范圍，模擬了均質土壩段壩體、壩基、排水和帷幕等。模型邊界條件設置如下：基礎底部和模型上下游邊界視為不透水邊界；水位面以下的河床均視為已知水頭邊界；位于河床以上地表，均按可能逸出面處理，但實際逸出面通過計算分析，經迭代確定。

表1 模型材料分區參數統計表

棱體排水、豎式排水、貼坡排水對應模型離散后的有限元計算網格分別有節點6250、6296、6234個，單元分別有6073、6114、6050個。

圖1 均質土壩二維有限元網格圖

3.3 模型參數及計算工況

壩體、壩基以及各分區材料參數見表1。

結合水庫特征水位和運行情況，同時考慮水庫運行中可能出現的最不利水位組合情況，選取以下3種水位組合。

工況1：上游設計洪水位1065.0m，下游設計洪水位1042.8m。

工況2：上游校核洪水位1066.3m，下游校核洪水位1043.55m。

工況3：上游設計洪水位1065.0m降至死水位1059.0m，下游設計洪水位1042.8m；上游水位下降過程見表2，滲流分析采用歷時30d，使得浸潤線下降完成。

表2 庫水位下降過程表

3.4 滲流計算結果及分析

3.4.1滲流場計算結果及分析

工況1、2下浸潤線與等勢線分布圖如圖2—3所示，水位下降過程中浸潤線變化過程如圖4所示。

由圖3—4可以看出，各工況下壩體浸潤線分布符合一般均質土壩規律，其中，棱體排水和豎式排水方案下，斷面下游浸潤線基本水平，表明兩種排水方案對壩體浸潤線跌落的作用明顯，起到了較好地排滲效果。

對比同一工況中不同排水方式的浸潤線和等勢線分布情況可知，豎式排水對降低壩體浸潤線效果更明顯，相應的等勢線分布更為密集，表明豎式排水方案下壩體滲流流速相對較大，對壩體的滲透穩定不利；棱體排水和貼坡排水的等勢線較稀疏，這兩種方案下的滲流流速相對緩慢，更有利于壩體滲透穩定。

圖2 正常水位下等勢線分布圖

圖4 水位下降過程中浸潤線變化圖

3.4.2滲流量計算結果及分析

選取帷幕中線所在截面為計算截面，計算三種排水方式在不同工況下的滲流量，計算結果見表3。由表3可知，豎式排水的滲流量最大，排水效果最佳，棱體排水效果次之，貼坡排水效果相對較差。

表3 截面流量統計表 單位：m3/(d·m-1)

注：工況3的截面流量為水位下降過程中最大截面滲流量。

3.4.3滲透坡降計算結果及分析

三個排水方案在校核水位下的滲透坡降分布云圖如圖5所示，其余工況下滲透坡降分布情況類似。

由圖5可以看出，三個排水方案下，滲透坡降最大值均位于混凝土帷幕處，其中，豎式排水的最大滲透坡降在1.0左右，棱體排水和貼坡排水的最大滲透坡降為0.7左右，表明帷幕的截滲效果明顯；豎式排水的上游壩體滲透坡降相對較大，數值在0.3～0.7之間，這是由于豎式排水方案的滲流量相對較大引起的；棱體排水和貼坡排水方案下壩體內部滲透坡降相對較小，數值在0.2～0.4之間，均小于允許滲透坡降，不會發生管涌流土等滲透破壞。但是，在豎式排水方案中，豎直排水體附近的滲透坡降較大，這將對排水體的反濾措施提出較高要求。

圖5 校核水位下滲透坡降分布云圖

3.5 壩坡穩定性計算結果及分析

水位下降過程中最小安全系數過程線如圖6所示；水位下降過程中上游壩坡最小安全系數壩坡滑動面如圖7所示；壩坡抗滑穩定安全系數表見表3—4。

由圖6可以看出，水位下降前期，上游壩坡最小安全系數隨水位下降而急劇減小，水位下降至低水位后，隨著滲流場的穩定，上游壩坡最小安全系數緩慢增大。

由表4可知，豎式排水的上游和下游壩坡穩定性最好，棱體排水次之，貼坡排水穩定性較差，但均滿足規范要求。

圖6 水位下降過程中上游壩坡最小安全系數過程線

圖7 水位下降過程中上游壩坡最小安全系數壩坡滑動面

表4 壩坡抗滑穩定安全系數表

注：工況3的安全系數為水位下降過程中的最小安全系數。

3.6 排水方案的進一步分析

前文對于棱體排水、豎式排水和貼坡排水三種排水方案的滲流和壩坡穩定計算成果表明：豎式排水和棱體排水均能起到較好的降低壩體浸潤線的效果，壩坡的穩定安全也有保證。但考慮到豎式排水體施工難度大，施工質量不易保證，運行期一旦排水體失效，易造成壩體內部缺陷，且檢修、維護非常困難。因此，通過對豎式排水的參數敏感性分析，來確定豎式排水基本有效或部分有效對本工程滲流和壩坡穩定的影響。

3.6.1參數設置

通過提高豎式排水體的滲透系數來考慮豎式排水的失效對本工程滲流和壩坡穩定的影響，工況設置如下：

工況I：豎式排水完全有效，排水區滲透系數取k=6×10-1cm/s。

工況Ⅱ：豎式排水基本有效，排水區滲透系數取k=6×10-3cm/s。

工況Ⅲ：豎式排水部分有效，排水區滲透系數取k=6×10-4cm/s。

工況Ⅳ：豎式排水完全失效，排水區滲透系數取k=1.94×10-5cm/s。

3.6.2成果分析

分別對典型斷面工況I- IV進行二維滲流與穩定性分析，各工況下壩坡抗滑穩定安全系數見表5，工況Ⅱ下的浸潤線與最危險滑動面如圖8所示。

表5 壩坡抗滑穩定安全系數表

注：括號內數值為與豎式排水完全有效相比，不同失效程度對應壩坡抗滑穩定安全系數降低幅度。

圖8 工況II滲流與壩坡穩定計算成果

由表5和圖8可以看出，隨著豎式排水區滲透系數的減小，各工況上下游壩坡的抗滑穩定安全系數逐漸降低；當豎式排水基本有效時，下游壩坡抗滑穩定安全系數均已小于棱體排水方案；當豎式排水部分有效時，除校核洪水工況下的上游壩坡以外，各抗滑穩定安全系數均低于棱體排水方案。經綜合考慮[2- 4，12- 14]，從結構長期可靠性和確保施工進度的角度，本工程選用了棱體排水方案。

4 結語

土石壩壩體滲流穩定主要與壩體材料透水性、顆粒組成及排水方式有關，壩坡穩定主要與浸潤線及壩體材料抗剪強度有關。本文從土石壩滲流和壩坡穩定等方面對棱體排水、豎式排水、貼坡排水三種常見壩體排水方式進行了分析與比較。三種方案各有利弊，實際工程可以借鑒此計算結果，根據不同情況，選用相應的排水方式，以保證工程安全、經濟、可靠。通過計算對比可得出如下結論：

(1)棱體排水和豎式排水均可有效降低壩體浸潤線，尤以豎式排水更優。棱體排水和貼坡排水壩體流場的等勢線分布較稀疏，滲透坡降相較豎式排水小，對壩體滲透穩定有利，并且對排水體的反濾措施要求相對較低。豎式排水的上、下游壩坡抗滑穩定性最好，棱體排水次之，貼坡排水方案下的上、下游壩坡穩定性相對較差。

(2)豎式排水的壩體浸潤線高度和上、下游壩坡穩定性對排水體滲透系數變化較敏感。若出現排水體基本有效或部分有效情況，將引起壩體浸潤線較大抬升，下游壩坡抗滑穩定安全系數降低明顯。

(3)規范推薦“均質壩和下游壩殼用弱透水材料填筑的土石壩，優先選用豎式排水”[5]，但由于其對施工質量要求較高，運行管理中須配套做好監測以保證排水體有效[15- 16]，常常限制了其應用。因此，豎式排水施工期的質量控制及運行期監測方面的研究也將是今后的探索方向。隨著研究的深入及新技術的進步，豎式排水設計將更加完善，排水體施工將更方便、質量更易保證[17- 19]。