壩體加固后滲流穩(wěn)定性計算研究

朱 琪

(金溪縣水利局，南昌 344800)

1 概 述

截止目前，我國各地修建了大量水庫大壩等水利工程。但水庫大壩在長期使用過程中會產(chǎn)生滲流、滑坡、管涌等病害問題。針對大壩出現(xiàn)的各種問題，研究人員進行了大量的研究，并取得了相關(guān)的成果。

張雙龍等[1]將灌漿技術(shù)應(yīng)用在壩體等水利工程項目中，研究分析了壩體出現(xiàn)滲漏的原因并對該工程進行了防滲處理；黃昌乾、丁恩保等[2]基于現(xiàn)有研究對邊坡壩體工程中的穩(wěn)定性分析方法進行了系統(tǒng)的綜述，總結(jié)并闡述了對應(yīng)方法的優(yōu)劣性，為水利邊坡研究提供了很好的理論依據(jù)；王維娜、殷秀海等[3]就壩體分析常用的極限平衡和強度折減等兩種分析方法進行了對比分析，研究表明強度折減法更具有優(yōu)勢；許書源等[4]基于某實例礦壩工程，采用數(shù)值分析的方法就該壩體堆載前后的滲流穩(wěn)定性進行了研究分析，并給出了相應(yīng)的維護處理建議；沙成剛等[5]以青海某水庫大壩為工程背景，采用有限元分析方法，研究分析了不同水位下大壩的滲流特性和邊坡穩(wěn)定性，并就該大壩的穩(wěn)定安全值進行了的評定；李勝等[6]基于某實例礦壩研究分析了該壩體的應(yīng)力、應(yīng)變、滲透性與巖石狀態(tài)的關(guān)系，為類似工程提供了參考價值；陳耀華等[7]同樣以某實例邊坡為研究背景，采用數(shù)值模擬的分析方法，探討了降雨對該邊坡的穩(wěn)定性影響以及不同降雨條件下的邊坡破壞程度；夏冬、常宏等[8]使用有限元分析方法，結(jié)合某實例工程，研究分析了礦壩施工過程中的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，并對其穩(wěn)定性進行了評估。

2 工程概況

2.1 水庫概況

本研究以浙江某水庫為研究對象。該水庫坐落于群山之中，庫岸巖石為密實度較高的火山巖，兩側(cè)邊坡較為穩(wěn)定。該水庫的總庫容為129.37×104m3，正常蓄水庫容105.76×104m3，壩高32.46 m，主要用于農(nóng)田灌溉。

2.2 加固方案

結(jié)合水庫實際應(yīng)用過程中出現(xiàn)的滲漏和穩(wěn)定性問題，對其進行了防滲加固。具體加固處理根據(jù)防洪標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范所制定，大壩加固項目見表1。

表1 防滲加固項目

3 模型介紹

本節(jié)采用Geo-Studio對大壩進行滲流穩(wěn)定性分析，表2為具體建模分析步驟。根據(jù)水文地質(zhì)資料可知，該水庫大壩高度為26 m，壩頂高程為32.46 m，壩頂寬6.5 m，壩底寬130 m，壩頂長235 m，水庫校核洪水位32.56 m，正常蓄水位 31.25 m。本文選取大壩中心和左壩肩兩個區(qū)域作為研究對象進行研究分析，圖1、圖2為根據(jù)實際地質(zhì)情況建立的壩體中心模型圖和壩體左肩模型圖。

表2 模型建立步驟

圖1 壩體中心模型圖

圖2 左壩肩模型圖

4 結(jié)果分析

4.1 滲流分析

本節(jié)就加固前后壩體中心區(qū)域和左壩肩兩個研究部分在正常水位和蓄水位兩種不同工況下的浸潤線位置特征進行了分析，表3、表4分別為加固前壩體中心區(qū)域和左壩肩各土層滲透系數(shù)表。

表3 加固前壩體中心區(qū)域各土層滲透系數(shù)表

表4 加固前左壩肩各土層滲透系數(shù)表

4.1.1 加固前壩體滲流分析

圖3和圖4為加固前壩體中心區(qū)域正常蓄水位、校核蓄水位兩種不同工況下浸潤線位置圖。由圖3和圖4可知，當(dāng)水庫大壩水位為正常蓄水位時，壩體的單寬滲流量為6.3×10-5m3/s；當(dāng)水庫水位為校核蓄水位時，壩體的滲流曲線呈現(xiàn)下降趨勢且單寬滲流量為8.1×10-5m3/s。不難發(fā)現(xiàn)，校核工況的單寬滲流量大于正常工況下的單寬滲流量，因此可以說明本文對壩體中心區(qū)域的模擬是符合實際情況的。

圖3 壩體加固前中心位置處正常庫水位對邊坡滲流圖

圖4 壩體加固前中心位置處校核庫水位對邊坡滲流圖

圖5和圖6為加固前左壩肩區(qū)域正常蓄水位、校核蓄水位兩種不同工況下浸潤線位置圖。由圖5和圖6可知，正常蓄水位時左壩肩的單寬滲流量為4.6×10-4m3/s，且小于校核蓄水位時左壩肩的單寬滲流量6.5×10-4m3/s，因此本文對左壩肩區(qū)域的滲流模擬是符合實際情況的。

圖5 壩體加固前左側(cè)壩體正常庫水位對邊坡滲流圖

圖6 壩體加固前左側(cè)壩體校核庫水位對邊坡滲流圖

4.1.2 加固后壩體滲流分析

計算斷面以上流域地理特征值由1∶5萬地形圖量取，流域面積F為430km2，河長L為38.75km，縱坡J為1.199%。

圖7、圖8為壩體加固后壩體中心區(qū)域正常蓄水位和校核蓄水位兩種工況下的浸潤線圖。由圖7和圖8可知，當(dāng)水庫水位為正常蓄水位時，對比加固前的情況可發(fā)現(xiàn)加固后庫水位對邊坡滲流高度明顯下降，單寬滲流量為2.9×10-5m3/s；當(dāng)水庫水位為校核蓄水位時，由圖8可知壩體單寬滲流量為3.3×10-5m3/s，同樣滿足校核蓄水位工況大于正常蓄水位工況。通過對比加固前后兩種工況的單寬滲流量可知，壩體加固后滲流量明顯降低，因此可以說明壩體注漿加固后有良好的阻滲防滲效果。

圖7 壩體加固后中心位置處正常庫水位對邊坡滲流圖

圖8 壩體加固后中心位置處校核庫水位對邊坡滲流圖

左壩肩注漿后，其滲透系數(shù)為 1.24×10-7cm/s，其余數(shù)據(jù)與加固前相同。圖9、圖10為壩體加固后左側(cè)壩體正常庫水位和校核庫水位的邊坡滲流圖。與壩體中心區(qū)域加固后的結(jié)論類似，加固后浸潤線位置下降，單寬滲流量降低，且正常蓄水位單寬滲流量1.3×10-5m3/s要小于校核蓄水位單寬滲流量1.7×10-5m3/s，因此可以說明注漿加固防滲效果良好。

圖9 壩體加固后左側(cè)壩體正常庫水位對邊坡滲流圖

圖10 壩體加固后左側(cè)壩體校核庫水位對邊坡滲流圖

4.2 穩(wěn)定性分析

本節(jié)就加固前后壩體中心區(qū)域和左壩肩兩個研究部分在正常庫水位和校核庫水位的滑移面和最小安全系數(shù)進行了分析。

4.2.1 加固前壩體穩(wěn)定性分析

表5、表6分別為加固前壩體中心區(qū)域和左壩肩不同水位下的最小安全系數(shù)。

表5 壩體加固前中間位置處最小安全系數(shù)表

表6 加固前左壩肩最小安全系數(shù)表

通過數(shù)值模擬對加固前的壩體進行穩(wěn)定性分析，可得到壩體中心區(qū)域不同水位條件下的滑移面圖。由圖11、圖12可知，正常庫水位工況下的危險滑移面比校核庫水位更加凸出，且兩種不同工況下的最小安全系數(shù)均高于規(guī)范值1.5。因此，兩者均符合規(guī)范要求，可以進一步說明本文的模擬是合理的。

圖11 加固前壩中心區(qū)域模擬正常蓄水位滑移面圖

根據(jù)圖13、圖14大壩左壩肩在不同水位下的危險滑移面曲線圖可以發(fā)現(xiàn)，正常庫水位工況下的滑移面曲線與校核庫水位下相比較，正常庫水位工況下的滑移面曲線更加圓滑，且正常蓄水位時最小安全系數(shù)大；與壩體中心區(qū)域相同，兩種水位下的最小安全系數(shù)均符合規(guī)范。

圖14 加固前左壩肩區(qū)域模擬校核蓄水位滑移面模型圖

4.2.2 加固后壩體穩(wěn)定性分析

表7、表8分別為加固后壩體中心區(qū)域和左壩肩不同水位下的最小安全系數(shù)。

表7 加固后壩體中心區(qū)域最小安全系數(shù)表

表8 加固完成后左側(cè)壩體最小安全系數(shù)表

通過計算分析，可以得到壩體加固后壩體中心區(qū)域和左壩肩在不同水位下的最危險滑移面曲線圖，見圖15、圖16。由圖15和圖16可知，與正常蓄水位相比，校核蓄水位的滑移面更偏下且滑移面曲線更加圓滑，兩種不同工況下的壩體最小安全系數(shù)分別較加固前有所增大，其中正常蓄水位工況下的最小安全系數(shù)較高，但兩種蓄水位條件下的最小安全系數(shù)均在規(guī)定允許范圍內(nèi)。因此，可以說明該水庫大壩中心區(qū)域的穩(wěn)定性在安全范圍內(nèi)。

圖15 加固后壩體中心區(qū)域正常蓄水位滑移面圖

圖16 加固后壩中心區(qū)域校核蓄水位滑移面圖

圖17、圖18為正常庫水位和校核庫水位兩種工況下，左側(cè)壩肩位置處邊坡滑移面和安全系數(shù)圖。由圖17和圖18可知，左壩肩加固前后滑移面有壩體中心區(qū)域類似結(jié)論，兩種不同蓄水位條件下左壩肩的最小安全系數(shù)分別為 1.761和1.729，說明加固后左壩肩的安全系數(shù)有所增加。通過對比規(guī)范范圍內(nèi)的最小安全系數(shù)可知，左壩肩的最小安全系數(shù)符合規(guī)定，即該壩體左壩肩區(qū)域的安全穩(wěn)定性在安全范圍內(nèi)。

圖17 加固后左側(cè)壩體正常庫水位滑動面模擬圖

圖18 加固后左側(cè)壩體校核庫水位滑動面模擬圖

5 結(jié) 論

本文以浙江某水庫為工程背景，采用有限元分析方法研究分析了壩體注漿加固前后壩體中心區(qū)域和左壩肩的滲流特征以及邊坡穩(wěn)定性。結(jié)論如下：

1) 對比注漿前后大壩滲流浸潤線發(fā)現(xiàn)，加固后的不同蓄水位工況下的浸潤線位置均較加固前有所降低且加固后的壩體單寬滲流量減小，說明大壩注漿加固后對壩體有一定的防滲效果，使壩體的滲流安全性得到提高。

2) 對比注漿前后大壩不同位置和不同工況下的最危險滑移面和最小安全系數(shù)發(fā)現(xiàn)，加固后壩體中心區(qū)域和左壩肩的危險滑移面均向上發(fā)生偏移且最小安全系數(shù)有所增大，說明注漿加固后壩體的整體穩(wěn)定性有所提高。