堤壩防滲透變形加固方案比選研究

宋雪迪

(遼寧省河庫管理服務中心，遼寧 沈陽 110003)

1 流土加固常用方案及優化分析

1.1 土工膜方案

復合土工膜具有抗變形能力強、抗滲性能優異等諸多優勢，被廣泛應用于土石堤壩上游坡面的防滲[1]。在土工膜防滲工程施工過程中，按照《水運工程土工合成材料應用技術規范》(JTS/T 148—2020)中的相關要求，需要采用抗老化土工膜或復合土工膜，其厚度≥1.5 mm，土工膜應該固定在堤壩的上游坡面。由于土工膜的厚度相對較小，數值模擬的過程和方法比較復雜，為了保證模擬計算精度，研究中利用土工膜等效轉化法進行研究，也就是滲流量僅和土工膜的厚度和滲透系數有關。根據復合土工膜防滲工程應用理論和工程經驗，設計壩體(方式1)、壩基(方式2)以及壩體+壩基(方式3)等三種不同的鋪設方式進行計算對比。數值模擬中采用的土工膜為高密度聚乙烯土工膜，其主要技術指標如表1所示。

表1 土工膜技術指標

利用有限元模擬計算的方法，對不同鋪設方式下逸出坡降和單寬流量進行模擬計算，結果如表2所示。從計算結果可以看出，鋪設方式1和鋪設方式2的逸出坡降以及單寬流量比較接近，基本處于同一水平。鋪設方式3與其他兩種鋪設方式相比，無論是逸出坡降還是單寬流量都顯著減小。因此，在工程應用中建議采用鋪設方式3，也就是壩體+壩基的鋪設方式。

1.2 戧臺加固方案

如果堤防壩坡的滲水情況比較嚴重，同時，臨近區域的砂土等物料較為豐富，場地也便于施工機具開展工作，可以考慮在下游坡戧筑[2]。在戧筑過程中，其頂部高程一般要高出浸潤線0.5～1.0 m，頂寬2～4 m，長度超過滲水堤段的5～10 m，以便達到流土破壞的加固目的。在施工過程中應該清除地表的雜物，避免施工中的物料被污染，進而影響工程效果[3]。為了獲得最佳的設計方案，研究中擬定戧臺高出堤壩逸出點0.50 m、0.75 m和1.00 m，其頂部寬度2 m、3 m和4 m，戧坡應該與堤壩的坡度相同，以便獲得壓滲蓋重效果。按照上述設計標準進行正交試驗設計，以獲得使用透水戧臺的最佳除險加固方案。

此次研究中利用Geostudio2018進行模型構建和流固耦合計算。在計算過程中，按照《水利水電工程地質勘察規范》(GB 50487—2008)相關規定，砂卵石和含漂石卵礫石滲透變形形式為管涌，允許滲透坡比降值 0.15，計算結果如表3所示。從計算結果可以看出，戧臺的高度和寬度參數均會對堤防的逸出高程和逸出坡降造成比較顯著的影響。從具體的計算結果來看，試驗編號3的逸出坡降值最小，逸出高程也比較接近最低值。因此，在具體工程設計中選擇戧臺高于逸出點高程0.5 m，頂寬為4.0 m。

表3 不同戧臺設計方案計算結果

1.3 瀝青混凝土心墻方案

瀝青混凝土心墻是堤壩防滲的重要工程手段，特別是碾壓式直心墻，具有機械化施工程度高、技術成熟、防滲性能好等諸多優勢[4]。根據《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設計規范》(SL 501—2010)中的相關規定，防滲結構中的瀝青混凝土心墻的最大厚度一般為壩高的1/60～1/100，最小厚度一般不低于0.3 m。

為了獲得最佳施工設計方案，研究中結合規范SL 501—2010中的相關要求，確定模擬計算中瀝青混凝土心墻的主要技術指標，結果如表4所示。

表4 瀝青混凝土心墻技術指標

在使用瀝青混凝土心墻耦合排水棱體防滲方案時，以不發生滲透破壞這一主要標準為原則進行防滲墻設計[5]。在堤防防滲領域，心墻的設計深度無疑最為重要，直接影響其防滲效果。在對其進行流固耦合施工過程中，利用等效厚度理論從堤身深度穿透到堤基深度為止。在計算過程中，以堤壩高度6 m為標準，設計6 m、8 m、10 m、12 m、14 m、16 m等6種不同的防滲墻深度值進行模擬計算，結果如表5所示。按照相關工程設計規范，瀝青混凝土心墻和下游壩體逸出段的滲透坡降允許值分別為80和0.15，同時結合計算結果，確定14 m的防滲深度。

表5 瀝青混凝土心墻防滲計算結果

2 不同加固方案對比分析

為了對比上述三種不同流土加固方案的工程效果，試驗中結合堤壩的使用情況，確定三種計算工況。其中，工況1為固定水位工況；工況2為固定水位耦合降雨工況；工況3為水位上升耦合降雨工況。將上述三種不同方案中的最佳設計應用于上述三種工況并進行有限元模擬計算，結果如表6所示。具體來看，在鋪設土工膜的情況下，堤壩的浸潤線顯著下降，逸出高程降低了2.99～3.12 m，逸出坡降減小30%～70%左右；在設置透水后戧臺的情況下，堤壩的浸潤線沒有顯著降低，但是阻水面積有明顯的增加，逸出高程降低2.74～2.83 m，逸出坡降明顯降低，不同工況分別降低了93%～98%左右；在瀝青混凝土心墻方案下，堤壩的浸潤線得到有效降低，逸出高程分別降低3.0～3.1 m，逸出坡降分別減少88%～95%左右。從計算結果來看，設置透水后戧臺方案可行，其余兩種方案的安全系數較低，難以保證堤壩的安全。因此，建議在工程設計中選用設置透水后戧臺方案。

表6 不同加固方案計算結果

3 結 語

在河湖水利工程中，堤防工程的重要性是不言而喻的，對防止水患，保證工程價值的發揮具有不可或缺的重要意義和價值。對土質堤防工程而言，滲透破壞是最重要的破壞形式，會對堤防安全產生嚴重的危害。此次研究結合堤防工程的實際特點，對流土加固方案進行了優化設計和比選，可以為堤防工程加固處理提供有益的支持和借鑒。此次研究的成果均通過數值模擬的方式獲得，雖然近年來數值模擬技術獲得長足發展，精度也不斷提高，但是仍不能替代工程實踐檢驗。因此，在今后的研究中，還需要結合具體工程實踐研究和優化研究成果進行綜合分析，以便獲得更為科學、合理的研究成果。