縱向增強體土石壩壩體穩定計算創新理論芻議

陳立寶，顧程浩，李時春，高光旭

(1.四川大學工程設計研究院有限公司，四川 成都 610065；2.四川岷嘉工程管理有限公司，四川 成都 610065；3.四川騰越順和項目管理有限公司，四川 綿陽 621000)

土石壩的技術發展伴隨著巖土力學理論的不斷完善和施工技術的不斷提高，從壩型到壩高都取得了長足的進展。300m級的高土石壩筑壩獲得了巨大的技術攻關，在建的雙江口水電站大壩為礫石土心墻堆石壩，壩高315m；已建的糯扎渡水電站大壩，壩高261.5m；水布埡水電站大壩為混凝土面板堆石壩，壩高233.2m，猴子巖水電站大壩，壩高223.5m。壩型從傳統的黏土心墻壩，混凝土面板堆石壩到膠凝材料壩和縱向增強體土石壩等，深化了已有理論和實踐，推動了最優土石壩壩型的穩步發展。水庫除險加固工作也取得了顯著效果，全國水利系統共加固病險水庫(絕大部分為土石壩)6萬余座[1]，除險加固后，水庫防洪標準和工程安全狀況基本滿足規范要求，水庫防洪、供水、灌溉等功能得到恢復，水庫壩體自身安全及下游地區防洪風險大大降低。但是近年來，隨著極端天氣的頻發，中小型水庫漫頂、潰壩事故也時有發生。2021年呼和浩特市永安水庫和新發水庫相繼發生潰壩，7.20鄭州特大暴雨導致郭家咀水庫發生漫頂。據統計，因超標洪水導致的漫頂潰壩占全部漫頂潰壩比例的95.74%[2]，隨著經濟社會發展，影響水庫大壩安全的影響因素增多，需對水庫大壩防御安全風險和提質增效開展深入研究。

1 縱向增強體土石壩壩型

為了健全完善土石壩建設理論技術體系，有效解決土石壩滲漏、滑坡、漫頂等問題，四川省水利廳原總工程師梁軍教高提出了縱向增強體心墻土石壩[3]新壩型(以下簡稱“增強體土石壩”)。該壩型采用“剛柔相濟”的建壩思路，充分吸收土石壩與重力壩的優點，使壩體體型達到最優。所謂增強體是指采用鋼筋混凝土或鋼管混凝土所形成的剛性材料；所謂縱向是延壩軸線方向布設心墻。增強體在土石壩體中首先滿足防滲要求，降低土石壩浸潤線，滲流穩定滿足規范要求；其次滿足結構性的要求，具有承重受力，抵抗變形的特點；最后在遭遇較大或超標洪水出現漫頂時，滿足“漫頂不潰”或“延時緩潰”的效果。該壩型的地方標準DBJ51/T 195—2022《四川省縱向增強體心墻土石壩技術規程》已通過四川省住建廳審批，于2022年7月實施。該規程也填補了傳統防滲墻只有施工規范，沒有理論依據的空白。

增強體土石壩壩體設計分區較常規碾壓式土石壩分區簡單，一般分為4個區：防滲體、過渡層、壩殼、護坡等區，軟巖壩殼料增加排水體，如圖1所示。增強體土石壩施工工序按照“先筑壩、后做墻、再灌漿”進行。壩體施工遵循常規的全斷面分區分層碾壓填筑施工，壩殼填筑完成后，在壩頂(增強體施工平臺)進行增強體心墻開槽施工。槽孔分序間隔實施，孔內下設鋼桁架或鋼筋籠，并將預埋灌漿管固定其上。槽孔內混凝土澆筑完成達到齡期后，可進行基礎帷幕灌漿。增強體土石壩施工工序和工期要大大優于傳統黏土心墻壩和瀝青混凝土心墻壩，幾乎不受雨季、低溫等自然氣候的影響，與面板堆石壩施工工期持平。但是又沒有面板養護、預防開裂的困擾，養護成本低。

圖1 壩體斷面簡圖

增強體土石壩最大的特點是心墻是受力體，可以有效降低洪水漫頂導致土石壩潰壩的風險[4]，并且延長潰決發生的時間，為下游安全轉移，提供寶貴的時間余量。除了新建大壩，增強體土石壩也廣泛適用于病險水庫整治和堰塞體治理項目。剛性心墻可以有效防滲，杜絕下游白蟻危害；提供側向約束，減少壩體滑坡的發生。該壩型在大竹河水庫滲漏處理、方田壩、馬頭山水庫改擴建，倉庫灣、白松、匯田河水庫新建、竹子坎、化成水庫除險加固、紅石巖水電站牛欄山堰塞體加固等多個項目中已經得到實際應用[5-9]。

2 傳統土石壩穩定計算

2.1 滲流計算

傳統土石壩設計的理念為“上防下排”，上游主要為防滲體系，減少滲流量，降低滲透比降；下游主要為排水體系，盡快消散滲流量，降低浸潤線。土石壩滲流為無壓滲流，有浸潤面可按照穩定滲流采用達西定律來計算。土石壩的滲流研究主要需了解水流特性和土體特性[10]。滲流計算方法早期主要是流體力學解析法、水力學法、圖解法等近似計算方法及室內的模型或模擬試驗分析方法。隨著計算機及有限元的發展，數值方法在滲流分析中也得到了廣泛應用。

土石壩的發展是建立在滲流理論和防滲技術的不斷提高的基礎上的。滲流破壞得以防止，高土石壩就有條件向前發展。大壩計算中，不能簡單的用滲透系數一個指標來判斷壩體的滲流穩定，對于薄弱區域應進行具體的分析和研究。簡單地將符合規范的計算結果作為大壩安全的依據或保證有待斟酌[11]，尤其是對于病險水庫，在壩體加固整治前，應結合壩體水文地質條件和大壩安全監測資料，綜合分析找出壩體或壩基滲流問題的根源，再采取行之有效的整治措施。但是傳統土石壩受壩體的流變影響，浸潤線會逐漸變高，產生濕化變形，壩體強度逐漸降低，逐步衍生出滲漏、滑坡、白蟻危害等病害。

因此滲流穩定分析對于高壩而言，土石壩心墻易形成水平裂縫，產生滲透破壞，研究如何自愈就是一個主要課題；面板壩滲流控制重點是面板的止水結構安全[12]。對于中低壩，如何有效降低浸潤線，優化壩體結構，并在相對基數龐大的施工隊伍中安全，快速，有序的實施項目是主要的矛盾。針對病險水庫滲漏現象，如何準確的尋找“病因”，并提出“根治”措施目前還是一個難題。

2.2 穩定計算

土壩邊坡穩定分析方法已有很多種，目前主要分為兩類，即以極限平衡理論為基礎的條分法和以彈塑性理論為基礎的數值計算方法。條分法是目前土石壩設計規范中規定的主要計算方法，其優點在于力學概念明確，簡單實用，同時在長期工程應用中積累了大量的經驗；它的缺點在于沒有考慮土體自身的應力-應變關系和實際工作狀態，所求出土條之間的內力或土條底部的反力均不能代表邊坡在實際工作條件下真正的內力和反力，因此存在著“先天的不足”。而以有限元法為代表的各種數值算法卻恰恰能夠彌補這種不足，它的突出優點在于適于處理非線性、非均質和復雜邊界等問題，因此能夠較好解決土體自身的應力變形問題。但各種數值算法有個重要的缺陷，即在現有規范中，土壩安全系數的判定依據是根據極限平衡理論來建立的，而如何將數值算法計算結果與現有規范中的判據接軌以指導工程實踐，則是個很重要的問題[13]。

3 縱向增強體土石壩穩定計算

縱向增強體心墻將壩體分為了上下游兩部分，由于混凝土防滲材料的滲透系數一般為A×(10-8～10-9)cm/s，壩體與心墻體滲透系數的巨大差異，導致心墻體上下游浸潤線存在巨大落差，該壩體可不考慮滲流影響。增強體同時受到上下游水土壓力作用，在壩體中起到雙向擋土墻的作用，可采用擋土墻理論進行結構穩定復核。引入受力安全系數理論，其值為被動土壓力與主動土壓力之比，基本工況為竣工期、正常蓄水期和水位驟降期。該理論以心墻的受力來判定壩體的安全，結構核心全在于剛性心墻。

壩體運行過程中，受到水土兩種完全不同的荷載作用，水荷載對土體材料產生細觀～微觀層面的侵蝕、軟化、濕化、崩積等耦合作用，因此在計算相應受力分析時，應考慮水土耦合作用[14]。

與常規土石壩相比壩體流變對下游影響較小，浸潤線不會提高，壩料的流變劣化，對心墻的影響不大，壩體被分隔成兩個獨立區域，上下游流變的耦合性被降低，壩體沉降量得到有效控制，縱向變形也受到增強體心墻的反向拖曳限制。

從結構性來說，壩體中部置入剛性體，增加了側限，減少壩體的沉降值，對土體基礎和側面形成兩側的約束。壩體只有一個自由面，安全系數將大為提高。增強體上游的主動土壓力與下游的被動土壓力形成受力平衡，受力特性與抗力特性相一致，均為梯形荷載，并且被動土壓力受主動土壓力激發，形成等效增強的效果[15]。墻體與兩側壩料的接觸摩擦，由于泥皮的影響，受力較小，拉壓應力都不大。

對于縱向增強體可以用受力安全系數法來確定壩坡穩定，以達到最優土石壩的設計。根據邊坡抗滑穩定安全系數的定義思路，定義增強體心墻受力安全系數S為其所受被動土壓力與主動土壓力之比即：

(1)

式中，S—受力安全系數；Pp—被動土壓力，kN；Pa—主動土壓力，kN。Fs—邊坡穩定安全系數。

表1 縱向增強體土石壩墻體允許受力安全系數

根據受力安全系數法，可以直接采用土壓力計算，來評價壩體的安全穩定性，從一定方面簡化了結構計算過程。

4 對比分析

對比傳統土石壩與縱向增強體土石壩在結構以及受力上的不同，可以看出增強體土石壩改變了傳統土石壩的“柔性”，增加剛度，并且“分隔”壩體。在結構性上，粘土心墻上游驟降時，心墻的水位降落較慢，在一定程度上抬高了浸潤線，使上游壩體，較長時間的處于飽和狀態。增強體心墻，上游壩料具有“均一性”水位可以相對較快的排出，降低浸潤線，更利于壩體的穩定。

壩體分區的不同，可以用主動/被動土壓力來平衡變形協調的問題。可以進一步使壩體變瘦，節省了材料和投資，提高了施工進度。增強體心墻的剛柔相濟與傳統的剛柔相交不同，這是一個面，而且是后期“嵌入”的面，兩個結構雖然彈性模量相差很大，但是并不會發生應力集中或變形不協調影響受力問題，由于墻體后期置入，不存在回填不密實，局部架空骨料的問題。

從計算原理上來說，傳統土石壩以自重維持穩定，以材料抵抗滲漏，滑弧會穿過壩頂，一般在壩軸線下游側。增強體壩壩體為“均質”碾壓密實結構，中間置入一個“均質”體，區別是兩種材料的彈性模量差距較大，減小了滑弧的范圍。將滲透壓力“截斷”，兩個彈模的不同，將力傳向下方。受力小彈模-大彈模-小彈模。區別于傳統的小彈模-小彈模-小彈模的均勻分層受力。上游的分層力傳遞給縱向墻體，在重分布給下游“分層體”。增強體本身會消耗一部分力。增強體心墻也不會像傳統面板產生不均勻沉降、開裂現象，傳統面板由于受板的自重，在下部基礎沉降，應力均勻分布引起的，單縱向心墻自重力方向與基礎(壩體)沉降是平行方向，而非上下關系。而受到水平推力，向基礎(壩體)施加的力與沉降力是垂直關系。因而與傳統板放置地面的受力體系不同。

5 結語

(1)安全系數法可以作為增強體壩的穩定計算依據，也可作為體型優化的依據。

(2)增強體土石壩內置入增強體，兩側約束更有利于壩體穩定。

(3)增強體土石壩打破傳統土石壩上防下排理念，引入防滲受力結合體，為巖土力學理論的應用新壩型的發展提供了一條新道路。

(4)后續可以深入研究一下增強體置入壩中，兩側土體對墻體的“反彈”與擠壓，對墻體的平面受力影響。進一步加強應力變形[16]等研究

(5)增強體土石壩理論研究隨著工程案例的不斷增多，可以進一步總結完善相關理論和方法。