基于渾水滲流理論的某斜心墻土石壩滲流穩(wěn)定機(jī)理研究

姚鋒杰

（水利部山西水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

滲透破壞研究的主要內(nèi)容包括對土體滲透破壞形式和滲透破壞發(fā)生的臨界條件的判別。對土體滲透破壞形式的判別主要通過顆粒級(jí)配關(guān)系和粗料形成孔徑與細(xì)料含量的比較；對于滲透破壞的臨界條件判別需分別針對不同土性進(jìn)行，一般說管涌型土的臨界水力坡降較小，而流土型土所能承受的水頭較大。針對管涌型和流土型土的臨界水力坡降，國內(nèi)外的專家學(xué)者在實(shí)驗(yàn)和理論方面都進(jìn)行了大量研究，得到了較多的研究成果[1-17]。

在對當(dāng)前土體滲透破壞形式的分類方法、滲透破壞的臨界水力坡降研究成果進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，筆者認(rèn)為當(dāng)前滲透破壞的研究中仍存在著的一個(gè)不容忽視的問題，即渾水的出滲問題及由此造成的滲流破壞形式的演化[18-20]。

1 工程概況

某水庫是一座以防洪、灌溉為主，結(jié)合發(fā)電、養(yǎng)殖業(yè)、城市供水等綜合利用的中型水庫。水庫樞紐建筑物由漿砌石重力壩、土壩、粘土斜墻壩、溢洪道、放水洞等組成。水庫主壩全長335 m。 因多種原因，防滲墻施工質(zhì)量較差。自1980年工程竣工蓄水后運(yùn)行至今，險(xiǎn)情時(shí)有發(fā)生，直接危及大壩安全，雖然作了臨時(shí)應(yīng)急處理，但沒有從根本上解決問題。

1980年水庫蓄水后，庫水位為326 m時(shí)，發(fā)現(xiàn)壩后約200 m處有滲漏點(diǎn)及滲漏帶，日滲漏量近7萬m3，逸出點(diǎn)高程302 m。經(jīng)技術(shù)人員研究，采用了帷幕灌漿截滲，處理后滲漏量有所減少。

1992年5月31日，水庫工程技術(shù)人員檢查發(fā)現(xiàn)粘土斜墻上有多處塌坑；1994年3月10日，在樁號(hào)0+031和0+205處發(fā)現(xiàn)有兩處塌坑；1995年6月20日及1999年8月，又相繼發(fā)現(xiàn)幾處塌坑。經(jīng)技術(shù)人員分析研究認(rèn)為，塌坑段位于古河道上，原壩基為粘土質(zhì)粘結(jié)的礫卵石層，滲透系數(shù)大，如果反濾層失穩(wěn)破壞，在滿庫運(yùn)行水頭壓力下，滲漏將會(huì)逐漸嚴(yán)重，逐步形成滲漏通道，將大量泥砂淘空而沉陷。

2 粘土斜墻壩滲流計(jì)算模型

粘土斜墻壩計(jì)算模型以302 m高程線與混凝土防滲墻對稱軸線交點(diǎn)為原點(diǎn)，以指向下游方向?yàn)閄軸正方向，以向上為Y軸正方向建立坐標(biāo)，單位為m。

滲流計(jì)算未考慮塌坑和局部不均勻的影響，壩體及壩基各部位滲透系數(shù)按勘探和設(shè)計(jì)情況進(jìn)行取值。壩前粘土斜墻、壩基砂礫石層、混凝土防滲墻、反濾層滲透系數(shù)分別為 4.1×10-6、 8.7×10-3、 1.7×10-9、5×10-5m/s。壩后302.00 m高程處自由出滲。整個(gè)模型共劃分12 133個(gè)單元，結(jié)點(diǎn)數(shù)12 392個(gè)。

基于穩(wěn)定滲流理論，結(jié)合渾水滲流理論[20]，以材料本身的滲透系數(shù)為初始參數(shù)，考慮室內(nèi)試驗(yàn)所得的渾水作用的滲透系數(shù)變化規(guī)律，即隨著渾水作用時(shí)間的增加滲透系數(shù)降低，采用有限元軟件Geo-Studio進(jìn)行滲流計(jì)算。

3 斜墻壩滲透破壞形式分析

3.1 粘土斜墻滲透破壞形式分析

粘土斜墻壩由重粉質(zhì)粘土填筑而成，填筑質(zhì)量不均勻。重粉質(zhì)粘土為紅褐色，濕，可塑狀態(tài)，干密度1.41～1.73 g/cm3，平均值為1.62 g/cm3，小值平均值為1.58 g/cm3，沒有達(dá)到設(shè)計(jì)干密度不小于1.65 g/cm3的要求；標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)3.7～5.7，屬中等壓縮性；滲透系數(shù)平均為4.1×10-6m/s，屬弱透水性。粘土斜墻壩體填筑材料級(jí)配情況：d30=0.014 mm、d50=0.025 mm、d60=0.029 mm、d70=0.034 mm、d85=0.043 mm、d95=0.051 mm。

斜墻的土質(zhì)為重粉質(zhì)粘土，滲透變形類型為流土，根據(jù)規(guī)范可知：壩體粘土的允許水力坡降為4～5。

3.2 反濾層滲透破壞形式分析

由于建壩時(shí)取土區(qū)內(nèi)反濾材料缺乏，只在粘土斜墻下部設(shè)置了一層反濾料，反濾料采用無粘性砂，級(jí)配情況：d10=0.028 6 mm、d30=0.048 1 mm、d50=0.728 mm、d60=0.892 mm、d95=1.818 mm，Cc=0.912、 Cu=5.12。

根據(jù) 《水利水電工程地質(zhì)手冊》及GB50287-99《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，代入上述試驗(yàn)參數(shù)，判定該砂層的滲透破壞形式為管涌。

根據(jù)土顆粒自重、靜水浮力及滲透力相平衡原理得到的臨界水力坡降為0.45。

4 反濾層管涌破壞計(jì)算分析

由于反濾層沒有按照規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，不能保證自身的穩(wěn)定，而下游卵礫石階地滲透系數(shù)較大，孔隙發(fā)育。在庫區(qū)高水位作用下，反濾料可被滲透水流沖蝕，進(jìn)入下游卵礫石階地，一旦反濾層破壞，粘土斜墻將失去保護(hù)。上述情況給大壩的正常運(yùn)行留下了嚴(yán)重的安全隱患，造成壩體接連發(fā)生嚴(yán)重的滲透破壞，壩面產(chǎn)生嚴(yán)重的塌陷，壩體產(chǎn)生上、下游貫通的滲漏通道。

4.1 死水位計(jì)算結(jié)果

在死水位306 m作用下反濾層的水頭等值線如圖1所示。從圖1可以看出，計(jì)算所得總水頭線分布均勻，大部分水頭由粘土斜墻承擔(dān)。由于防滲墻滲透系數(shù)較小，幾乎所有的流線都從防滲墻頂繞過，導(dǎo)致在防滲墻頂位置滲流較集中，成為滲透水流通過的主要路徑。計(jì)算得到防滲墻頂粘土部分承受著較大的水力坡降，最大值為2。死水位作用下，在反濾層中水力坡降最大值約為0.017，遠(yuǎn)小于臨界水力坡降0.45，粘土斜墻壩處于安全狀態(tài)。

圖1 死水位作用下反濾層水頭等值線

4.2 正常蓄水位計(jì)算結(jié)果

4.2.1 初始參數(shù)

在正常蓄水位 （336.00 m）作用下的反濾層水頭等值線如圖2所示。從圖2可以看出，水頭線集中分布于粘土斜墻和反濾層中，其中粘土斜墻承受著大部分的水頭，反濾層中的水頭線分布于底部和頂部，又以底部較密集。反濾層與砂卵石階地接觸位置流速、水力坡降隨X坐標(biāo)變化關(guān)系見圖3。從圖3可以看出，流速大于1×10-5m/s的分布范圍較大，給滲流留下了很大的安全隱患。在反濾層底部的水力坡降最大值已達(dá)到4，為臨界水力坡降值0.45的8倍多；反濾層與砂卵石階地接觸位置處的最大水力坡降值為0.6，大于臨界水力坡降值0.45，該位置也存在滲透破壞危險(xiǎn)。分析認(rèn)為，砂卵石階地的滲透系數(shù)較大，級(jí)配不良，不能有效防止反濾層顆粒的流失，同時(shí)由于反濾料自身級(jí)配不能保證穩(wěn)定，在水力坡降大于臨界水力坡降時(shí)會(huì)發(fā)生管涌破壞。

圖2 正常蓄水位作用下反濾層水頭等值線

圖3 正常蓄水位作用下，反濾層與砂卵石階地接觸位置流速、水力坡降隨X坐標(biāo)變換關(guān)系

基于此，選擇反濾層中水力坡降大于臨界水力坡降的區(qū)域，采用渾水滲流程序進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算中為通過調(diào)整滲透系數(shù)體現(xiàn)考慮渾水作用導(dǎo)致孔隙堵塞而造成滲透性能降低的過程，考慮了兩種渾水計(jì)算工況。需要說明的是，降低程度不是無限的，是隨著時(shí)間的推移最后變化很小，渾水計(jì)算工況2即是最終穩(wěn)定滲透系數(shù)。

4.2.2 渾水滲透系數(shù)變化計(jì)算工況1

工況1：土體滲透系數(shù)從5×10-5m/s變化至5×10-4m/s歷時(shí) 1 700 s， 而從 5×10-4m/s到 5×10-3m/s的過程則只用200 s。選取水力坡降大于0.45的區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算面積約2.3 m2，深1.5 m，寬約1.3 m，出口面積1 m2，初始孔隙率為0.4，與初始值一致。

在正常蓄水位作用下，反濾層會(huì)發(fā)生管涌破壞，初始參數(shù)時(shí)，反濾層已經(jīng)有一部分發(fā)生管涌。在此基礎(chǔ)上利用Geo-Studio對工況1進(jìn)行計(jì)算，得到水頭等值線如圖4所示，總水頭仍舊分布于粘土斜墻和反濾層中，與初始參數(shù)計(jì)算結(jié)果比較，粘土斜墻承受的水頭比重更大，反濾層中由于部分管涌破壞的影響，水頭線分布更加密集。反濾層底部局部位置最大流速已達(dá)4.8×10-5m/s，且分布范圍集中，使此處更容易發(fā)生滲流破壞。反濾層底部的水力坡降值仍然很大，未發(fā)生管涌破壞的反濾料外邊緣水力坡降值已達(dá)5.8左右，為臨界水力坡降值0.45的10倍多，管涌的發(fā)生已是不可避免。

圖4 工況1反濾層水頭等值線

對以上計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析可知：整個(gè)管涌過程中滲透系數(shù)都呈現(xiàn)出明顯的增大趨勢，且隨著時(shí)間的增長滲透系數(shù)增大速率也加大，這與土體的管涌破壞發(fā)展過程較好的吻合。在初始時(shí)刻，由于被滲透水流帶出管涌口的為細(xì)小顆粒，且流量和流速均較小，細(xì)顆粒的流失速度相應(yīng)較慢，所以滲透系數(shù)增長較慢，但土體中細(xì)顆粒的流失導(dǎo)致局部滲透系數(shù)增大，使管涌水向該區(qū)域集中，加快了管涌的發(fā)展，隨著細(xì)顆粒的不斷流失，土體骨架的孔隙通道越來越大，可以允許一些較大粒徑的顆粒通過，此時(shí)管涌的發(fā)展就會(huì)呈現(xiàn)出加速的趨勢。速率變化非常明顯說明反濾層中的粘性顆粒一旦完全流失，反濾層將在很短時(shí)間內(nèi)破壞。

流量隨時(shí)間呈現(xiàn)不斷加速的增長趨勢。隨著細(xì)顆粒的完全流失，孔隙率、滲透系數(shù)隨時(shí)間的變化加快，是流量隨著時(shí)間變化迅速增加的直接原因。流量、滲透系數(shù)的變化規(guī)律完全吻合，說明滲透系數(shù)與流量之間會(huì)互相促進(jìn)，會(huì)加速管涌集中滲流通道的發(fā)展。

4.2.3 渾水滲透系數(shù)變化計(jì)算工況2

工況2：土體滲透系數(shù)從5×10-5m/s變化至5×10-4m/s歷時(shí) 1 170 s， 而從 5×10-5m/s到 5×10-3m/s的過程則只用100 s。其余同工況1。

在對反濾層進(jìn)行第一次渾水滲流計(jì)算的基礎(chǔ)上，進(jìn)行工況2的計(jì)算，得到的水頭等值線如圖5所示。從圖5可以看出，所有的水頭都由粘土斜墻承擔(dān)，在粘土斜墻底部水頭線分布密集，造成在此位置水力坡降很大，粘土斜墻底部與原反濾層接觸位置最大流速為7.3×10-5m/s，其值較大，但分布范圍較小，流速為3.16×10-5m/s的區(qū)域分布很明顯；最大水力坡降值已達(dá)到20。

圖5 工況2水頭等值線

反濾層的管涌破壞致使在防滲墻頂部的粘土斜墻部分失去反濾層的保護(hù)，而此處粘土斜墻中的水力坡降為20左右，已大大超過了粘土斜墻的臨界水力坡降，在庫區(qū)高水位作用下，此位置必然發(fā)生流土破壞，使粘土斜墻被擊穿，發(fā)展為貫通上下游的集中滲漏通道，這是大壩在蓄水后粘土斜墻上出現(xiàn)多處塌坑的直接原因。

5 結(jié)論與展望

通過對該水庫的滲流計(jì)算，認(rèn)為此水庫的粘土斜墻部分不滿足滲透穩(wěn)定要求。由于斜墻反濾層設(shè)計(jì)的不合理，造成其在庫區(qū)高水位作用下發(fā)生了管涌破壞，且在很短的時(shí)間內(nèi)反濾層土料即被滲透水流破壞，給粘土斜墻壩留下了安全隱患。

粘土斜墻防滲體厚度不足，在庫區(qū)高水位作用下，粘土斜墻中實(shí)際承受的水力坡降已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于臨界水力坡降，且上部未設(shè)保護(hù)層，在下部反濾層發(fā)生管涌后，粘土斜墻已接連出現(xiàn)嚴(yán)重的滲透破壞，多處被擊穿，擊穿處壩體已形成上下游貫通的滲漏通道，粘土斜墻已經(jīng)失去了整體防滲的功能。建議除險(xiǎn)加固從加大防滲體厚度和設(shè)置保護(hù)層入手。本文通過有限元計(jì)算得到了與工程實(shí)際相近的結(jié)果，驗(yàn)證了計(jì)算程序的可靠性，可為粘土斜墻壩的除險(xiǎn)加固理論計(jì)算提供參考。

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