不同加高方案土石壩滲流及穩(wěn)定性分析

吳建平

（鷹潭市水利電力勘測設(shè)計院，江西鷹潭335000）

0 引言

水資源不合理的開發(fā)和利用，造成了我國適合建壩的壩址越來越少，由于水庫淤積的作用，已建的大壩越來越不能滿足實際需求，大壩加高成為未來大壩建設(shè)的重要工程，大壩加高方案的選擇對壩體的穩(wěn)定性極為關(guān)鍵[1-6]。

許多研究及統(tǒng)計資料表明，影響庫岸邊坡穩(wěn)定性失穩(wěn)破壞的重要因素是地下水。地下水的滲流作用會影響邊坡內(nèi)的滲流場變化，并隨之影響岸坡的穩(wěn)定性[7-9]。為了確定浸潤面位置，眾多學(xué)者采用解析方法對其進(jìn)行了研究，目前多采用數(shù)值模擬方法對其進(jìn)行工程計算[10-11]。

本文對土石壩采用3種不同的加高方式（騎馬式、上游貼坡式、下游貼坡式），利用極限平衡法，對壩體進(jìn)行滲流和穩(wěn)定性分析。

1 基本滲流理論

地下水的流動可以通過達(dá)西定律進(jìn)行描述[9]，在x-y平面上可以寫成：

其中，總水頭 μ可以寫成：

式中：μ為總水頭值；y為豎直高度；p為孔隙水壓力；γW為水的重度。

除此之外，還定義了一個孔隙水壓力水頭μp：

當(dāng)進(jìn)行瞬態(tài)分析時，其連續(xù)性方程為：

式中：kx，ky分別為土體x，y方向的滲透系數(shù)；Q為邊界流量；t為試件參數(shù)。

有效容量c和滲透系數(shù)張量K的表達(dá)式為：

式中：csat為飽和容量；n為孔隙率；S為滲透面面積；krel為滲透率。

2 模型的建立及模型參數(shù)

某庫岸由于該處淤泥土比較豐富，導(dǎo)致庫內(nèi)淤積十分嚴(yán)重，實測淤泥厚度達(dá)到15 m，水庫調(diào)控能力急劇減小，急需對壩坡進(jìn)行處理。對研究區(qū)勘察資料進(jìn)行整理，選取壩坡的某個典型斷面進(jìn)行分析，對坡面進(jìn)行適當(dāng)簡化，圖1為壩坡斷面結(jié)構(gòu)圖。

圖1 壩體地質(zhì)剖面圖

由于實地清淤困難，需要對原壩體進(jìn)行加高處理，擬采用幾種不同的方案對原壩坡進(jìn)行加高，依據(jù)相關(guān)試驗以及規(guī)范[12]，對巖土體相關(guān)物理參數(shù)進(jìn)行經(jīng)驗取值，表1為壩坡相關(guān)的物理力學(xué)參數(shù)。

表1 坡體相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)

3 壩本加高方案

3.1 騎馬式加高

騎馬式加高方式是在原壩體兩側(cè)填筑新土體，以達(dá)到加高壩坡的目的，圖2為騎馬式加高壩坡示意圖。

圖2 騎馬式加高示意圖

水庫的正常蓄水位為30 m，設(shè)計洪水位為35 m，校核洪水位為40 m，針對3種不同的水位工況，利用極限平衡法軟件Slide2對其進(jìn)行滲流和穩(wěn)定性分析。圖3為騎馬式加高壩體模型示意圖。

圖3 騎馬式加高壩體模型示意圖

對不同水位情況下的壩體進(jìn)行滲流分析，圖4為騎馬式加高壩體浸潤線位置圖。

圖4 騎馬式加高壩體浸潤線位置圖

從圖4中可以看出，采用騎馬式加高方式加高壩體后，壩體的浸潤線隨著水位的升高，浸潤線越高；壩體加高后，在正常蓄水位情況下，加高壩體后的浸潤線要低于原壩體的侵潤線，這是因為加高壩體的滲透系數(shù)要大于原壩體，且在正常蓄水位情況下滲流路徑越長，浸潤線越低。利用極限平衡法計算3種不同水位作用下的壩體安全系數(shù)，騎馬式加高壩體計算結(jié)果見表2。

表2 3種方案加高壩體計算結(jié)果m

從表2中可以看出，原壩體在采用騎馬式加高壩體后，在同一蓄水位下，壩體的安全系數(shù)明顯增加，但在校核洪水位下，加高后的壩坡穩(wěn)定性很差，對于原壩體較陡時，一般不建議采用騎馬式加高方式加高壩坡。本文選用此模型，是對相同蓄水位在3種不同加高方式下的壩體做對比，說明3種不同加高方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

3.2 下游貼坡式加高

下游貼坡式加高方式是在下游壩體側(cè)填筑新土體，以達(dá)到加高壩坡的目的，圖5為下游貼坡式加高壩坡示意圖。

圖5 下游貼坡式加高示意圖

對不同水位情況下的壩體進(jìn)行滲流分析，圖6為下游貼坡式加高壩體浸潤線位置圖。

圖6 下游貼坡式加高壩體浸潤線位置圖

從圖6中可以看出，當(dāng)壩體采用下游貼坡式加高壩體時，在正常蓄水位情況下，壩體的浸潤線相比于原壩體的浸潤線更低，一方面是因為加高壩體的滲透系數(shù)比原壩體的滲透系數(shù)更低，二是因為在正常蓄水位情況下滲流路徑越長；采用下游貼坡式加高壩體時，壩體的浸潤線相比于騎馬式加高壩體的浸潤線更低，這主要是因為加高壩體的滲透系數(shù)要小于原壩體，庫水首先在加高壩體中發(fā)生滲流，之后在原壩體中發(fā)生滲流，加高壩體在阻礙水的滲流作用方面發(fā)揮了充分的作用，因此其浸潤線更低。利用極限平衡法計算3種不同水位作用下的壩體安全系數(shù)，下游貼坡式加高壩體計算結(jié)果見表2。

從表2可以看出，原壩體在采用下游貼坡式加高壩體后，在同一蓄水位下，壩體的安全系數(shù)明顯增加，在3種不同水位下，采用下游貼坡式加高后的壩坡穩(wěn)定性也滿足相關(guān)規(guī)范要求。但是，采用下游貼坡式加高壩體時，施工上比較困難，首先要對淤泥地基進(jìn)行處理，提高施工區(qū)域淤泥地基土的抗剪強(qiáng)度，降低土的滲透性，提高地基土的穩(wěn)定性，處理好地基土的沉降問題，使得地基的沉降在施工允許的范圍之內(nèi)。加高壩體在施工的過程中，應(yīng)該采用分級加荷的方式，控制好施工的進(jìn)度，減少每一回次的填筑厚度，逐層加高，逐次施加荷載，合理地安排施工工序提高地基土的穩(wěn)定性。在施工過程中也要做好防排水，做到防排結(jié)合，減少施工過程中水的滲漏，防止水的滲流對淤泥土地基造成破壞。

3.3 上游貼坡式加高

上游貼坡式加高方式是在上游壩體側(cè)淤泥土上填筑新土體，以達(dá)到加高壩坡的目的，圖7為上游貼坡式加高壩坡示意圖。

對不同水位情況下的壩體進(jìn)行滲流分析，圖8為上游貼坡式加高壩體浸潤線位置圖。

圖7 上游貼坡式加高示意圖

圖8 上游貼坡式加高壩體浸潤線位置圖

從圖8可以看出，當(dāng)壩體采用上游貼坡式加高時，在正常蓄水位情況下，相比于原壩體，坡體的浸潤線在原壩體中無差異，但在加高壩體中，由于加高壩體的滲透系數(shù)比原壩體的滲透系數(shù)更低，其浸潤線降低明顯；相比于騎馬式和上游貼坡式兩種加高壩體方式，采用下游貼坡式加高壩體時，壩體中浸潤線位置降低較少，水在原壩體中滲流時，其浸潤線位移無明顯差異，但水在加高壩體中滲流時，由于加高壩體在阻礙水的滲流作用方面發(fā)揮了充分的作用，因此其浸潤線更低。利用極限平衡法計算3種不同水位作用下的壩體安全系數(shù)，上游貼坡式加高壩體計算結(jié)果見表2。

從表2可以看出，原壩體在采用上游貼坡式加高壩體后，在同一蓄水位下，加高后的下游壩體的安全系數(shù)明顯增加，但上游壩體安全系數(shù)變化不明顯。在3種不同水位下，采用上游貼坡式加高后的壩坡穩(wěn)定性基本滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4 對比分析

4.1 土方量對比

對不同加高方式壩體的橫斷面進(jìn)行分析，選取1 m長度的土壩為研究對象，計算3種不同加高方式下所需的土石壩方量：騎馬式加高為971.81 m3，上游貼坡式加高為1 276.03 m3，下游貼坡式加高為1 543.41 m3。從土方量方面考慮，采用騎馬式加高壩體最具優(yōu)勢。

4.2 施工難度對比

上游貼坡式加高壩體時，首先要對淤泥地基進(jìn)行處理，可以采用常用的地基處理方法（如換土墊層法、預(yù)壓砂井法等）對淤泥土進(jìn)行處理，提高施工區(qū)域淤泥地基土的抗剪強(qiáng)度，降低土的滲透性，提高地基土的穩(wěn)定性，處理好地基土的沉降問題，使得地基的沉降在施工允許的范圍之內(nèi)。

下游貼坡式加高方式的難度最小，不需要考慮淤泥土的處理問題，但采用下游貼坡式加高壩體時，需要設(shè)置排水設(shè)施，做到防排結(jié)合，防止排水失效對土壩的穩(wěn)定性造成問題。

騎馬式加高壩體施工難度在上面兩者之間，主要問題時在施工時對原土石壩上表面進(jìn)行處理。

4.3 實用條件對比

下游貼坡式加高壩體方式適用條件最為廣泛，在背水面進(jìn)行施工，無需考慮淤泥土等問題，不受水位的影響，地基處理起來也比較方便。

上游貼坡式加高壩體方式適用性也較廣，但是其施工條件受水位的影響，并且如果淤泥土的性質(zhì)發(fā)生改變，壩坡的穩(wěn)定性將受到一些。

騎馬式加高方式適用范圍較窄，騎馬式加高方式主要適用于坡率較緩的壩體，而本文中的庫底集聚了大量的淤泥，而填筑土的位置應(yīng)在淤泥土之上，這使得騎馬式加高壩體對提高壩體穩(wěn)定性增加了難度。

綜上所述，采用上游貼坡式加高壩體時，壩體浸潤線下降最多，壩體安全系數(shù)最大，但是其施工難度最大，所需要的土石量適中；采用下游貼坡式加高壩體時，施工難度最小，所需要的土石方量最大，坡體浸潤線下降相對較少，坡體安全系數(shù)相對最??；采用騎馬式加高方式時，所需要的土石方量最少，施工難度適中，壩體浸潤線下降介于上述兩者之間。