庫水位驟降下混凝土防滲墻對心墻土石壩滲流穩定的影響

黃秀文

(中山市堤圍管理中心，廣東 中山 528400)

1 概 述

心墻土石壩是我國最廣泛使用的壩型，其結構主要由防滲心墻、過渡料、壩體上下游堆石料組成。其中，心墻是土石壩最為關鍵的部位之一，其施工質量的好壞直接影響壩體的正常運行和滲流穩定。心墻若出現質量缺陷，壩體的滲流量會變大，壩坡浸潤線會升高，壩體土料的抗剪強度下降，壩體穩定性將減小。由于壩體土料具有非飽和滲流特性，在庫水位驟降時，壩體浸潤線的改變會產生明顯的“滯后”現象[1-4]，壩體內部孔隙水將產生較大的滲透壓力，對壩體整體穩定性極為不利。韓國波等[5]以大伙房水庫土石壩為例,在不同水位降速情況下對土石壩坡面進行損傷評價發現,水位降速越快損傷越嚴重,控制水位下降速度和幅度可有效規避損傷的發生。王東林[6]等研究了不同庫水位降落速度、壩體滲透系數和給水度條件下均質土壩非穩定滲流場的變化規律，得出壩體穩定性受水位變化的敏感程度與心墻滲透系數的大小有關。岳慶河等[7]研究發現不同水位降落速度對較小飽和滲透系數的土石壩滲流場及邊坡穩定性影響程度較小,對較大滲透系數的壩體則影響較大。蘇正洋等[8]采用數值模擬計算發現，壩體上游壩坡對庫水位變化較下游壩坡更為敏感。目前，較多學者對水位變化下壩體的滲流穩定進行了研究，但對如何提高土石壩穩定性的研究則較少。

本文通過對比研究混凝土防滲墻設置前后，土石壩在庫水位驟降情況下的非飽和滲流和穩定特性，進一步揭示在最不利運行情況下，防滲墻對心墻的“縱向增強”效果，為工程提供一定參考。

2 計算原理及參數

2.1 非穩定滲流計算理論

一般認為，土石壩浸潤線以下土體達到飽和狀態，其滲透系數不會因為土體含水量的變化而改變，浸潤線以上土體存在非飽和狀態，其滲透系數是土體含水量和基質吸力的函數。根據相關文獻[9]，非飽和滲流的基本微分方程為：

(1)

式中：H為總水頭；kx為X方向的滲透系數；ky為Y方向滲透系數；kz為Z方向的滲透系數；Q為流量；Θ為體積含水率；t為時間。

2.2 非飽和特性函數

土料的非飽和特性函數包括含水率函數和滲透系數函數[10]。本文采用Van Genuchten提出的函數作為土體的非飽和特性函數，土體含水率隨基質吸力的變化關系可表示為：

(2)

式中：θw為體積含水率；θr為殘余體積含水率；θs為飽和體積含水率；ψ為基質吸力；a、n、m為通過非飽和試驗數據的擬合曲線預測的試驗常數。

土體含水率函數可用下式估算：

(3)

式中：kw為指定基質吸力計算所得的滲透率；ks為飽和滲透系數；a、n、m為通過非飽和試驗數據的擬合曲線預測的試驗常數。

土石壩心墻、反濾層、堆石體土料的含水率函數和滲透系數函數曲線見圖1和圖2。

圖1 體積含水率函數

圖2 滲透系數函數

2.3 有限元模型及參數

心墻土石壩典型剖面壩高50 m，上下游壩坡坡率采用1∶2.5。壩頂高程為372 m，壩底高程為322 m。土體采用M-C強度準則，混凝土采用彈性強度準則。模型地基長300 m，高50 m，混凝土防滲墻厚度設置為0.8 m，插入地基深5 m。心墻土石壩計算模型見圖3，混凝土防滲墻加固后的計算模型見圖4，模型物理力學參數見表1。

圖3 心墻土石壩計算模型

圖4 混凝土防滲墻土石壩計算模型

表1 物理力學參數

3 加固前后效果分析

3.1 滲流分析

庫水位下降速度設為5 m/d，降水起始水位高程為370 m，降水過程持續6 d。圖5和圖6分別為混凝土防滲墻加固前后土石壩的浸潤線。從圖5和圖6中可以看出，庫水位驟降時，壩體內部的孔隙水不能及時排出，加固前后心墻內部的浸潤線均有不同程度的上升趨勢。對于未設置混凝土防滲墻的心墻，其孔隙水壓力明顯高于壩體堆石料的孔隙水壓力，浸潤線至心墻處向上“凸起”的情況較為顯著；設置混凝土防滲墻后，心墻孔隙水壓力不斷減小，浸潤線在心墻內的高度開始降低，浸潤線“凸起”的現象有所緩解。

圖5 加固前石壩浸潤線

圖6 加固后土石壩浸潤線

圖7和圖8分別為防滲墻加固前后心墻的滲透坡降。加固前，高程370 m處心墻的滲透比降在降水開始一天后達到峰值1.02，高程355 m處的心墻坡降隨著降水時間先減小后陡增再逐漸減小，在降水第四天滲透坡降達到峰值0.6；高程343 m處的心墻滲透坡降隨著降水時間逐漸減小，但在降水最后一天陡增，達到最大值1.3。混凝土防滲墻設置后，心墻滲透坡降隨降水時間的推移變化幅度變小，高程370、355和343 m處的心墻滲透坡降峰值分別為0.65、0.51和0.67。這是因為加固前，庫水位的驟降導致心墻中的孔隙水向上游庫區發生滲流，滲透坡降不斷增大；隨著降水時間的推移，心墻內的孔隙水不斷排出，滲透比降逐漸降低。

圖7 加固前心墻滲流坡降

圖8 加固后心墻滲流坡降

3.2 位移分析

圖9和圖10分別為加固前后壩頂上下游變形隨時間的關系曲線。從圖9和圖10可知，隨著庫水位的降低，上下游壩頂變形開始不同程度的增加。加固前，壩頂上游最大變形量為11.2 cm，壩頂下游變形量為9.7 cm；加固后，壩頂上下游變形量分別為9.7和1 cm，上下游變形差異較為明顯。這說明混凝土防滲墻與地基形成整體，當庫水位驟降時，防滲墻一方面阻止心墻中的孔隙水壓力向庫區滲流，從而減小心墻滲透水壓力；另一方面又充當擋土墻作用，限制了下游壩體向上游發生變形。

圖9 壩頂上游變形

圖10 壩頂下游變形

3.3 壩坡穩定性分析

圖11和圖12為加固前后上游壩坡的有效塑性應變；表2為穩定滲流階段和降水階段上游壩坡抗滑穩定計算得到的安全系數。加固前，上游壩坡塑性應變從壩頂到壩址形成一條貫通的塑性區，壩坡極有可能沿著塑性區向上游發生滑移，此時上游壩坡的穩定滲流階段和降水階段的安全系數分別為1.65和1.22；混凝土防滲墻加固后，上游壩坡的塑性貫通區消失，塑性區明顯減少，壩坡穩定滲流和降水階段的安全系數分別提高為2.30和2.01，壩體更加趨于穩定。

圖11 加固前上游壩坡有效塑性應變

圖12 加固后上游壩坡有效塑性應變

表2 上游壩坡穩定系數

4 結 論

本文通過對混凝土防滲墻加固前后的土石壩滲流和壩坡穩定性進行有限元計算分析，結論如下：

1) 加固前，由于土石壩心墻內部孔隙水壓力消散速度比庫水位下降速度慢，心墻內部浸潤線呈“上凸”狀，心墻最大滲透坡降達到1.3；加固后，壩體防滲性增強，心墻對庫水位變化的敏感性降低，滲透壓力大幅度減小，最大值為0.67。

2) 加固前，壩體會隨著降水時間向上游發生較大變形，壩頂上下游最大變形量分別為0.11和0.09 m；加固后，混凝土防滲墻與地基形成整體，起到了“擋土墻”的作用，下游壩殼的變形得到有效限制，最大值變形量降為0.01 m。

3) 加固前，水位驟降導致壩頂到壩址處形成一條貫通的塑性區，壩體極易失穩，上游壩坡抗滑安全系數為1.22；加固后，塑性貫通區消失，壩體整體穩定性增強，上游壩坡抗滑安全系數為2.01。