土石壩除險(xiǎn)加固過程中防滲墻缺陷對(duì)滲流穩(wěn)定性的影響

劉炳明，張慶波，王海青

（1.江蘇省連云港市贛榆區(qū)城頭鎮(zhèn)水利管理服務(wù)站，江蘇 連云港 222100；2.江蘇省連云港市贛榆區(qū)水利局，江蘇 連云港222100；3.江蘇省連云港市贛榆區(qū)機(jī)電排灌管理站，江蘇 連云港 222100）

0 引言

水是影響巖土體材料抗剪性質(zhì)主要因素，土石壩在長(zhǎng)期的水位變化過程中，壩體內(nèi)部發(fā)生滲流作用，影響土石壩材料特性，進(jìn)而對(duì)壩體穩(wěn)定性造成影響[1-3]。

對(duì)于覆蓋層較厚的壩體，采用混凝土防滲墻作為防滲體是一種經(jīng)濟(jì)有效的處理方式[4-5]。防滲墻施工工藝在實(shí)際施工的過程中，施工質(zhì)量難以把握，防滲墻墻體易出現(xiàn)施工缺陷，例如厚薄不均、空洞等現(xiàn)象，這些缺陷可能對(duì)原設(shè)計(jì)的防滲效果造成嚴(yán)重影響[6-8]。

利用有限元SEEP/W 軟件，對(duì)不設(shè)置防滲墻和有防滲墻缺陷的壩體進(jìn)行滲流分析。

1 模型的建立及模型參數(shù)

某小型農(nóng)田水庫總庫容大約為12000000 m3，原設(shè)計(jì)壩頂寬為7 m，壩頂高程為50 m，壩身為碾壓式均質(zhì)土石壩。土石壩經(jīng)過多年運(yùn)行，壩體出現(xiàn)滲漏，土石壩的下游坡段出現(xiàn)大面積的坍塌，水庫的安全運(yùn)行受到嚴(yán)重影響。通過綜合分析，需要對(duì)土石壩進(jìn)行防滲加固，降低壩體的浸潤(rùn)線。土石壩全貌圖見圖1。

圖1 土石壩全貌圖

庫岸岸坡為粘土心墻土石壩，依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)以及規(guī)范[9]，對(duì)巖土體相關(guān)物理參數(shù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)取值，土體采用非線彈性的鄧肯張模型，壩坡相關(guān)的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 坡體相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)

利用SEEP/W 軟件，對(duì)設(shè)置防滲墻前后的壩體進(jìn)行滲流和穩(wěn)定性分析。

2 防滲墻設(shè)置前壩體有限元

選取DK6+000 斷面進(jìn)行滲流分析，并在該斷面安裝測(cè)壓管，分析設(shè)置防滲墻前后壩體的水頭變化，防滲墻測(cè)壓管安裝示意圖，見圖2。

圖2 DK6+000 斷面處測(cè)壓管安裝示意圖

在該斷面共安裝了4 個(gè)測(cè)壓管，斷面中，位置水頭為35 m。在設(shè)置防滲墻前，設(shè)置上游水頭為5.5 m，對(duì)自由水面和上游水頭均未設(shè)定。利用測(cè)壓管監(jiān)測(cè)下游邊界的水頭，Phase2 計(jì)算得到的DK6+000 斷面處總水頭曲線見圖3，計(jì)算得到的設(shè)置防滲墻前壩坡下游側(cè)的總水頭曲線見圖4，設(shè)置防滲墻前壩體各部分的滲流量見圖5。

圖3 DK6+000 斷面處總水頭曲線

圖4 設(shè)置防滲墻前下游總水頭曲線

圖5 設(shè)置防滲墻前壩體各部分的滲流量

根據(jù)滲流理論中水頭計(jì)算公式，壓力水頭= 總水頭-位置水頭，從圖3 和圖4 中可看出從上游到下游，未設(shè)置防滲墻前壓力水頭介于1 m～5.5 m 之間，符合實(shí)際情況。從圖5 中可看出，墻身的滲流量幾乎占了總滲流量的90%，這是由于粉砂層的滲透系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其余土層的滲透系數(shù)，在該土石壩防滲加固過程中，應(yīng)著重考慮對(duì)粉砂層的處理。

3 防滲墻缺陷對(duì)土石壩滲流的影響

對(duì)原壩體進(jìn)行防滲加固處理，擬采用高壓噴射灌漿來設(shè)置防滲墻。高壓噴射灌漿是通過其高壓力作用，對(duì)地層進(jìn)行攪拌和切割，然后灌入水泥砂漿，使水泥砂漿與原土體混合，來提高原土體的固結(jié)性，降低原土體的滲透性。

但在實(shí)際施工過程中，很難把握好施工質(zhì)量，防滲墻墻體易出現(xiàn)施工缺陷，例如厚薄不均、空洞等現(xiàn)象，這些缺陷可能對(duì)原設(shè)計(jì)的防滲效果造成嚴(yán)重影響，本節(jié)將對(duì)防滲墻出現(xiàn)缺陷時(shí)的壩體進(jìn)行滲流穩(wěn)定性分析。

原壩體的填筑土層有四層，假設(shè)每個(gè)土層均有一個(gè)孔洞，直徑0.5 m，利用測(cè)壓管監(jiān)測(cè)防滲墻出現(xiàn)這些孔洞時(shí)下游側(cè)的水頭曲線。防滲墻出現(xiàn)缺陷時(shí)壩體下游側(cè)的水頭曲線見圖6。

圖6 防滲墻出現(xiàn)缺陷時(shí)壩體下游側(cè)的水頭曲線

由圖6 中分析結(jié)果可知，當(dāng)防滲墻中出現(xiàn)缺陷時(shí)，由于粉砂層的滲透系數(shù)最大，土層③的水頭下降幅度最大，粘土的滲透系數(shù)較低，土層①的水頭下降幅度最小。

由于粉砂層的滲透系數(shù)最大，在土石壩防滲加固處理時(shí)，應(yīng)著重對(duì)粉砂層進(jìn)行處理，防滲墻出現(xiàn)缺陷時(shí)不同土層的滲流量見圖7，設(shè)置防滲墻后粉砂層出現(xiàn)缺陷時(shí)與未設(shè)置防滲墻時(shí)壩體滲流量對(duì)比結(jié)果見圖8，設(shè)置防滲墻后粉砂層存在缺陷時(shí)的自由面和等勢(shì)線見圖9，設(shè)置防滲墻后粉砂層存在缺陷時(shí)的壩體滲流分析見圖10。

圖7 防滲墻出現(xiàn)缺陷時(shí)不同土層的滲流量對(duì)比

圖8 無防滲墻時(shí)與防滲墻粉砂層有缺陷時(shí)壩體滲流量對(duì)比

圖9 防滲墻粉砂層存在缺陷時(shí)的自由面和等勢(shì)線

圖10 防滲墻粉砂層存在缺陷時(shí)壩體滲流情況

由上述分析結(jié)果可知，防滲墻出現(xiàn)缺陷時(shí)對(duì)壩體防滲效果影響較大，設(shè)置防滲墻后，如果墻體出現(xiàn)缺陷，壩體的滲流路徑發(fā)生改變，滲流路徑將會(huì)變短，滲流量增大，巖層的滲透系數(shù)越大，防滲墻缺陷對(duì)壩體滲流的影響越大。

由圖8 可以看出，設(shè)置防滲墻后，當(dāng)粉砂層存在缺陷時(shí)，其滲流量與未設(shè)置防滲墻時(shí)的滲流量相比，防滲效果極其差，幾乎失去了設(shè)置防滲墻的意義。

由圖9 和圖10 可以看出，當(dāng)防滲墻粉砂層存在缺陷時(shí)，在缺陷處，等勢(shì)線發(fā)生突變，滲流路徑發(fā)生改變，防滲加固效果會(huì)明顯減弱。

4 結(jié)論

利用有限元SEEP/W 軟件，對(duì)不設(shè)置防滲墻和有防滲墻缺陷的壩體進(jìn)行滲流分析。

防滲墻體存在缺陷時(shí)對(duì)壩體內(nèi)自由面的影響很大，因此防滲墻缺陷對(duì)壩體防滲效果產(chǎn)生很大影響。假定防滲墻的四個(gè)土層均出現(xiàn)空洞，當(dāng)缺陷所在的土層滲透系數(shù)越大時(shí)，防滲墻的防滲效果就越差，當(dāng)防滲墻粉砂層中出現(xiàn)0.5 m 的空洞時(shí)，防滲效果極其差，幾乎失去了設(shè)置防滲墻的意義。

在施工的過程中，控制施工速度，采用高壓噴射灌漿時(shí)，應(yīng)使水泥砂漿與原土體充分混合。還應(yīng)控制好混凝土的養(yǎng)護(hù)齡期，同時(shí)保證后期堤壩有良好的導(dǎo)滲排水能力，以便在水庫水位下降時(shí)庫岸土體中的孔隙水壓力能快速消散，以免產(chǎn)生滑坡和滲透變形。