瀝青混凝土心墻土石壩滲漏分析以及修復研究

李 兵

(新疆水利水電項目管理有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

1 引言

土石壩破壞的主要原因之一是滲漏，滲漏會導致大壩結構弱化，隨著時間的推移可能會因管涌或坍塌發生較大的安全事故[1]。土石壩在水庫蓄水階段經常發生滲漏問題，此外由于各種原因的侵蝕，滲透破壞隨著結構使用年限的增加而增加[2]。據調查，世界上發生過多達162起大壩事故，其中滲漏破壞導致了65起，各種原因的侵蝕造成了57起，還有41起大壩事故與管道變形滲漏有關[3]。表1顯示了截止到2000年大型水壩發生滲漏的原因或位置。

表1 截至2000年大壩滲漏的原因或位置

在壩體內部，侵蝕的發展可以分為幾個階段：侵蝕的開始和蔓延，侵蝕的蔓延導致管道最終產生裂縫[4]。本文使用SEPE/W軟件，分別對有無心墻、有無上下游過濾層的情況進行模擬，目的是根據改變大壩幾何形狀的不同條件來研究滲流情況和出口坡度。

2 工程概況

本文以新疆某水利工程為研究對象，其總庫容0.82億m3，壩頂高程2513.00 m，壩頂寬度20 m，壩長389 m，最大壩高54.5 m，電站裝機3×8MW。本工程為Ⅱ等工程，由攔河壩，表孔溢洪洞，底孔泄洪、沖沙、放空洞(導流洞改建，龍抬頭形式)，發電引水洞，地面廠房及電站尾水渠等組成。建筑物級別：攔河壩，表孔溢洪洞，底孔泄洪、沖沙、放空洞，發電引水洞進口為2級，發電引水洞、發電廠房、尾水渠為3級，臨時性建筑物為4級。大壩包含許多監測和檢查儀器，以確保大壩在運行期間處于安全狀態，這些儀器能夠通過觀察獲得壩體內部的沉降、移動和孔隙水壓力的變化情況[5]。

3 土壤參數實驗

本節旨在研究土石壩的土壤參數，然后將這些參數導入地質邊坡軟件SEPE/W中的有限元程序中來模擬通過大壩的滲流。

3.1 壩殼材料參數

建造該大壩壩殼體所用的土壤為B級土壤，是大壩施工區域附近大量存在的當地土壤。壩殼參數的實驗結果見表2。

表2 壩殼材料參數實驗結果

3.2 心墻材料參數

心墻材料施工中使用的土壤為粉質粘土，也是施工區域附近可大量獲得的當地土壤。由實驗確定的物理性質參數見表3。

表3 心墻材料參數實驗結果

3.3 上游過濾層材料參數

大壩上游中用于建造細過濾層的土壤是壓碎的天然砂料。由實驗確定的物理性質參見表4。

表4 上游過濾層材料參數實驗結果

3.4 下游過濾層材料參數

大壩下游中用于建造粗過濾層的土壤為礫石材料，可在施工區域附近的采石場獲得，土壤試驗結果見表5。

表5 下游過濾層材料參數實驗結果

4 滲流分析

本文使用SEPE/W軟件分析大壩的穩態滲流，該軟件是一種地質邊坡分析工具，通過使用有限元方法模擬孔隙水壓分布和水在多孔介質(土壤和巖石)中的運動。該軟件是一個通用的滲流分析程序，它可以模擬飽和和非飽和流動，故SEPE/W能夠處理其他滲流軟件所不能解決的問題。

有限元網格為1936，節點數為1998，見圖1。

圖1 有限元網格劃分

設定的上游邊界條件如下：上游水庫水位即總水頭50 m，代表水庫中的水的高度。下游邊界條件設定為：①位于下游壓頭常數等于0的坡腳排水點。②最高水位49.17 m，最低水位18.43 m，一半蓄水高度33.81 m。基于上述邊界條件進行分析。分析的結果見表6。

表6 基于邊界條件的分析結果

5 滲流模擬

5.1 壩殼滲透性

本節考慮以下三種情況：

(1)壩殼的滲透率等于1000倍心墻的滲透率：Kshell=1000×5.3×10-9=5.3×10-6m/s；

(2)壩殼的滲透率等于10000倍心墻的滲透率：Kshell=10000×5.3×10-9=5.3×10-5m/s；

(3)壩殼的滲透率等于100000倍心墻的滲透率：Kshell=100000×5.3×10-9=5.3×10-4m/s。

圖2展示了不同滲透率的壩殼對滲透量的影響；圖3展示了不同滲透率的壩殼對出口坡度的影響。可以總結出壩殼滲透率與心墻滲透率比值對滲流量和出口坡度的影響：當該比率增加時，出口坡度減小，比率的增加將導致殼體滲透性增加，這將導致通過殼體滲透量的增加。

圖2 不同壩殼滲透率與心墻滲透率比值對滲透量的影響

圖3 不同壩殼滲透率與心墻滲透率比值對出口坡度的影響

5.2 心墻在壩體中的作用

心墻是大多數土石壩的中心部分，主要由防滲材料組成，主要用途是阻止壩體內滲流。根據材料的可獲取性和施工難度，心墻可由土壤、鋼材、混凝土或木材制成。本文研究以下兩種情況：

(1)有無心墻存在對滲透量和出口坡度的影響。圖4和圖5展示了當大壩有無心墻時，滲流量和出口梯度與不同水頭之間的有限元分析結果。可以得到心墻對滲透量和出口坡度的影響：減少滲流量94%；出口坡度降低45%。

圖4 有無心墻對滲流量的模擬結果

圖5 有無心墻對出口坡度模擬結果

(2)心墻厚度對滲透量和出口坡度的影響。此處的厚度為位于零標高的接地線上，零標高時大壩堆芯的厚度為85 m，從每側(上游和下游)減少堆芯的厚度5 m，以保持堆芯在所有情況下與原始狀態一樣對稱。

圖6和圖7展示了不同水位下滲透量和出口坡度與心墻厚度變化之間的關系。降低堆芯厚度對滲漏量和出口坡度的影響為：每次降低堆芯厚度10 m，滲流量增加(8%～34%)，出口坡度增加(10%～93%)。

圖6 滲透量與心墻厚度的關系

圖7 出口坡度與心墻厚度的關系

5.3 大壩過濾層的作用

土石壩中的過濾層由位于壩體附近的粗粒土構成。過濾層通常根據顆粒尺寸進行分類，與筑壩用的土壤顆粒尺寸相比，上過濾層的顆粒應具有足夠小的尺寸，以防止土壤侵蝕。下過濾層顆粒應足夠粗，便于排水。

為實現這些功能，過濾層應該在加工、搬運和壓實過程中，級配不變。顆粒應具有內部穩定性，能夠防止滲流的發生。滲透率應足以排出滲流并防止超孔隙水壓力的破壞。

(1)移除上游過濾層對滲流和出口坡度的影響可總結為：針對不同的水庫水位，移除過濾層會增加3%～17%的滲透量，出口坡度會增加5%～36%。圖8和圖9展示了在水庫水位變化的條件下，隨著上游過濾層的移除，滲漏量和出口坡度之間的關系。

圖8 移除上游過濾層對滲流的影響

圖9 移除上游過濾層對出口坡度的影響

(2)拆除下游過濾層對滲漏量和出口坡度的影響可總結為：對于不同的水庫水位，拆除下游過濾層會導致滲漏量增加10%～22%，出口坡度降低100%。

圖10和11顯示了在水庫水位變化期間，隨著下游過濾層的拆除，滲漏量和出口坡度之間的關系。

圖10 移除下游過濾層對滲流的影響

圖11 移除下游過濾層對出口坡度的影響

(3)拆除上游和下游過濾層對滲漏量和出口坡度的影響可總結為：對于不同的水庫水位，拆除過濾層會道州滲漏量增加12%～22%，出口坡度降低100%。

圖12和13展示了當大壩有無上下游過濾層時，滲漏量和出口坡度與水庫水頭之間的關系。

圖12 移除上下游過濾層對滲流的影響

圖13 移除上下游過濾層對出口坡度的影響

6 控制灌漿修補方案的研究

為提高鉆進效率和鉆進質量，過渡層材料應質地堅硬、顆粒細、連續分級、松散分級，鉆進時孔壁易坍塌，采用護壁鉆進法。為避免孔壁形成的泥皮對過渡料控制灌漿的不利影響，采用套管壁鉆進、水鉆或氣洗孔鉆進。對于地層較深或礫石較大時，采用沖擊旋轉隨鉆法施工，施工方便，效率高。過渡層灌漿可采用閉孔法和套筒閥管法。過渡層自上而下采用閉孔灌漿進行鉆孔和灌漿，鉆孔和灌漿交替進行。每一次灌漿均在孔口封閉，灌漿段可重新充填，灌漿質量良好。套筒閥管灌漿方法：先鉆灌漿孔，孔下入孔內灌漿管(管)，在灌漿管與孔壁之間填充特殊填料，然后在灌漿管塞段內安裝雙灌漿，套筒閥管灌漿孔的灌漿方法是鉆取，在地面上安裝連續灌漿管。可采用不同的灌漿壓力分段隔離，調整灌漿量。

7 結論

本文通過試驗獲取了壩殼材料、心墻材料、上下游過濾層材料的參數，并將其應用于有限元模擬過程中，得到了通過大壩的滲流模擬結果。結果表明：壩殼滲透率與心墻滲透率比值的變化對出口坡度和滲透量都有影響，當該比值增大時，出口坡度減小，滲透量增大，壩殼滲透率與心墻滲透率比值為10000時是最佳的，因為在該情況下滲漏量最低，出口坡度較緩和；心墻對通過大壩的滲透量有重要影響，當心墻從大壩中移除時，滲透量會增加并達到94%的極端值，出口坡度會增加45%；將堆芯厚度減少10 m可能會導致滲漏量增加35%，出口坡度增加34%；有無上游過濾層對滲漏量和出口坡度沒有顯著影響，下游過濾層對滲漏量的影響很小，但拆除時出口坡度會降低100%。有無上下游過濾層將導致滲透量增加到12%～22%，拆除上下游過濾層也會導致出口坡度降低100%。本研究對于指導工程修建有很強的實際意義，可以通過合適的壩殼選材、修筑心墻、設置上下游過濾層來消除滲漏與出口坡度帶來的破壞。