土石壩滲流穩定性試驗分析

王 萍

（蘭陵縣水利局,山東 蘭陵 277700）

1 工程概況

某土石壩壩高92 m、壩頂寬14 m、壩底寬256 m,壩體上、下游高寬比分別是1∶2和1∶1.8。石壩過渡層粒徑不超過300 mm,粒徑5 mm以下的占比不超過10%；反濾料粒徑不超過,粒徑0.075 mm以下的占比不超過5%；堆石區土料粒徑不超過800 mm,粒徑0.075 mm以下的占比不超過5%。

2 模型參數

由于模型尺寸限制,模型和原大壩尺寸比例為1∶150。但若是按此比例會因為壩頂寬度太小而導致模型無法正常建立,所以對于壩頂寬度額外將其放大至10 cm。根據比例設定壩前穩定水位為58 cm,包含防浪墻高度的壩高為62 cm。在心墻中心處布設了3層孔隙水壓力計來對孔隙水壓力大小進行監測,監測位置與壩底的距離依次為15 cm、30 cm、40 cm,在各層內有設置壓力計2個（編號依次為A、B、C、D、E、F）,20 cm為壓力計間隔。大壩實驗模型圖和壓力計分布情況見圖1。壩體分區從內至外依次是堆石區、過渡區和心墻區。波流水槽中間為鋼結構,槽尾、槽首、底部為混凝土結構,在水槽兩側安裝鋼化玻璃,可借助透明玻璃來對槽中情況進行觀察。設定20 mm與10 mm分別是模型堆石區、過渡區土料粒徑。土料在全部分區中的粒徑均不超過20 mm,達到低于水槽寬度的0.1倍的要求,其中800 mm為水槽寬度。因為反濾區與過渡區的滲透系數都較大,可將兩者整合為一個區,且不會對壩體滲流場造成較大影響。0.5 mm為反濾層土料的等效粒徑。設置工況時,依次在高度15 cm、30 cm、40 cm處布設高滲透區域,厚度為4 cm,具體見表1。

表1 工況具體情況

圖1 大壩實驗模型圖和壓力計分布情況

3 實驗過程及結果分析

3.1 實驗過程

將工況1 作為例子，將模型壩剖面輪廓畫在水槽雙側鋼化玻璃上，之后將1 cm高的高嶺土鋪設在壩基部位，并將硅膠涂抹在鋼化玻璃內側，涂抹厚度為5 mm，以此黏結壩體材料和提高玻璃界面摩擦力，達到降低界面滲流的目的。從心墻開始朝兩側依次填筑土料，土料厚度5 cm，填筑時放置好孔隙水壓力計。壩體填筑完畢后，借助熱風槍對外側玻璃進行加熱和靜置的方式來提高硅膠凝固速度，硅膠凝固24小時后進行壩體滲透試驗。先將水槽控制臺軟件和數據收集儀器調試到正常狀態，開始采集數據并同步對壩體下游滲漏量和孔隙水壓力進行監測，在水位到達預定水位時不再放水，但監測活動繼續進行。因為存在滲漏，所以在試驗時進行了略微補水來確保壩前水位保持穩定。其余工況（2、3和4）和工況1大致相同，不同處分別是在壩基15 cm、30 cm和40 cm處的心墻布設了高滲透區（厚4 cm）。

3.2 監測結果

因為孔隙水壓力計高度一致同時對稱分布，所以兩者讀數基本一致，所以這里對于每層孔隙水壓力計只給出一個的監測數據，具體見圖2。從圖2中能夠看出，監測剛開始階段，孔隙水壓力計大小基本為0，表示孔隙水壓力計接近飽和狀態。

圖2 各工況孔隙水壓力監測結果

對于沒有設置高滲透區的工況1，當水位增大時，各位置的孔隙水壓力計監測值也持續提高，增大至壩前水位不再升高時，監測數據隨之保持穩定。離壩基15 cm處的孔隙水壓力計A設置的高度不大，孔隙水壓力大小在0.35 h時開始從0快速提高，于0.84 h處趨于穩定；離壩基30 cm處的孔隙水壓力計C，其孔隙水壓力大小在0.56 h時開始從0快速提高，于0.84 h處趨于穩定；離壩基40 cm處的孔隙水壓力計F，其孔隙水壓力大小在0.64 h時開始從0快速提高，于0.84 h處趨于穩定。當水位在0.84 h后到達預設水位時，各個監測計的數值均逐漸保持不變，孔隙水壓力計A、C、F穩定后的大小依次是3.33 Pa、2.36 Pa和1.53 Pa，見表2。由達西定律可以得知，因為監測計A、C、F距離壩前水位面越來越近，壓力水頭隨之減小，故孔隙水壓力值逐漸減小。壩體滲流的水在46 min后到達擋水板部位，滲漏水體的高度在80 min后達到5 mm，90 min后接近7 mm，這時監測活動不再繼續，對滲漏水量進行測算得出其值為9.5L，平均滲漏速度達到6.4 L/h。

表2 各工況監測值

如圖2（b）所示為工況2的監測數據，各部位設置的孔隙水壓力計監測數據隨著水位的變高而持續增大，直至壩前水位保持穩定不再變化時，監測數據隨之保持穩定。與上一工況相比，監測計C、A部位的孔隙水壓力監測值增大明顯，依次為2.62 kPa和3.77 kPa，同時孔隙水壓力也更早從0開始增大。這是由于有高滲透區存在于工況2 中，使滲流速度得到增強，削弱了心墻內部水頭損失幅度，使孔隙水壓力增大。不過監測計E、F部位的孔隙水壓力未發生明顯變化，此現象是由于監測計E、F所在部位（距壩基40 cm）要比監測計A、C所在部位高，基本不會受到高滲透區的影響。壩體滲流的水在36 min后到達擋水板處，滲漏水體的高度在90 min后達到2 cm，這時監測活動不再繼續，對滲漏水量進行測算得出其值為27 L，平均滲漏速度達到18 L/h，是工況1滲透速度的2.8 倍。

如圖2（c）所示為工況3的監測數據，和第一種工況相比，監測計A、C部位的孔隙水壓力監測值同樣有明顯提高；第三種工況和第二種工況相比，前者監測計A處孔壓（3.6 kPa）小于后者（3.77 kPa），但前者監測計C處孔壓（2.72 kPa）比后者（2.62 kPa）高，此現象是由于工況3的監測計C和工況2中的監測計A都處在高滲透部位，水頭損失均比較低，所以孔壓值要大于其他工況。和工況2相比，工況3中監測計E部位的孔壓值略大于工況2，此現象是由于監測計位置與高滲透區距離較短。這是因為監測點離高滲透區域相對較近。壩體滲流的水在37 min后到達擋水板處，滲漏水體的高度在90 min后達到1.9 cm，這時監測活動不再繼續，對滲漏水量進行測算得出其值為25.7L，平均滲漏速度達到17.2 L/h，略低于工況2。此現象是由于工況2的高滲透區域處在心墻最下部，水力壓力較高，所以滲流量也比較大。

如圖2（d）所示為工況4的監測數據，和第一種工況相比，其孔隙水壓力增大時間提前的較為明顯。并且和第2、3工況相同，在工況4中，位于高滲透區的監測計E孔壓值大于其余工況。如同工況2、3、4中，處在高滲透區域處的CH5孔壓值比其他工況較大。壩體滲流的水在72 min后到達擋水板處，滲漏水體的高度在90 min后達到1.8 cm，這時監測活動不再繼續，對滲漏水量進行測算得出其值為24.2 L，平均滲漏速度達到16.2 L/h，略低于工況3和工況2。此現象是由于高滲透區處在心墻最下部，水力壓力比較低，所以滲流量也比較小。如圖3所示為各工況中滲漏水體高度的變化情況。從圖3中能夠得到，當高滲透區所在位置提高時，其壓力水頭逐漸減小，同時因為壓力水頭與壩體滲漏量間的關系屬于正相關，所以壩體滲漏量也逐漸降低。

圖3 各工況中滲漏水體高度的變化情況

3.3 對比分析

如圖4所示為不同工況不同部位孔隙水壓的變化曲線,通過分析能夠發現：在工況相同時,心墻各位置孔壓增大速度大致相同,最先增大部位為心墻底部,穩定后的孔壓值也最高。此現象是由于滲透壓力在底部較高,所以滲流速度較大,同時穩定后的水頭也最高；心墻存在高滲透區時各位置的孔壓值均呈上升趨勢,同時滲漏量明顯提高,這給借助滲漏量和孔壓監測數據分析心墻的質量提供了有力支撐；整體來看,位置相同時,工況有高滲透區時的孔壓值要比無高滲透區大,并且孔壓值隨著與高滲透區距離的減小而增大。此現象是因為高滲透區滲透系數較高,參考達西定律能夠得到心墻水力坡降要大于高滲透區,所以當徑流一致時,高滲透區的水頭損失更低。

4 結論

本研究以某心墻土石壩為研究背景,通過建立室內試驗模型進行了壩體滲流監測試驗,分析了壩體滲漏量和心墻孔隙水壓力受高滲透區的影響程度,得出以下結論：

1）當高滲透區所在位置提高時,其壓力水頭逐漸減小,同時因為壓力水頭與壩體滲漏量間的關系屬于正相關,所以壩體滲漏量也逐漸降低。

2）在工況相同時,心墻各位置孔壓增大速度大致相同,最先增大部位為心墻底部,穩定后的孔壓值也最高；心墻存在高滲透區時各位置的孔壓值都表現為逐漸增大的規律,滲漏量增大明顯,這給通過滲漏量和孔壓監測數據來分析心墻性能提供了有力支撐。

3）整體來看,位置相同時,工況有高滲透區時的孔壓值要比無高滲透區大,并且孔壓值隨著與高滲透區距離的減小而增大。