瀝青混凝土心墻土石壩滲漏分析以及修復(fù)研究

李 兵

(新疆水利水電項(xiàng)目管理有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

1 引言

土石壩破壞的主要原因之一是滲漏，滲漏會(huì)導(dǎo)致大壩結(jié)構(gòu)弱化，隨著時(shí)間的推移可能會(huì)因管涌或坍塌發(fā)生較大的安全事故[1]。土石壩在水庫(kù)蓄水階段經(jīng)常發(fā)生滲漏問(wèn)題，此外由于各種原因的侵蝕，滲透破壞隨著結(jié)構(gòu)使用年限的增加而增加[2]。據(jù)調(diào)查，世界上發(fā)生過(guò)多達(dá)162起大壩事故，其中滲漏破壞導(dǎo)致了65起，各種原因的侵蝕造成了57起，還有41起大壩事故與管道變形滲漏有關(guān)[3]。表1顯示了截止到2000年大型水壩發(fā)生滲漏的原因或位置。

表1 截至2000年大壩滲漏的原因或位置

在壩體內(nèi)部，侵蝕的發(fā)展可以分為幾個(gè)階段：侵蝕的開(kāi)始和蔓延，侵蝕的蔓延導(dǎo)致管道最終產(chǎn)生裂縫[4]。本文使用SEPE/W軟件，分別對(duì)有無(wú)心墻、有無(wú)上下游過(guò)濾層的情況進(jìn)行模擬，目的是根據(jù)改變大壩幾何形狀的不同條件來(lái)研究滲流情況和出口坡度。

2 工程概況

本文以新疆某水利工程為研究對(duì)象，其總庫(kù)容0.82億m3，壩頂高程2513.00 m，壩頂寬度20 m，壩長(zhǎng)389 m，最大壩高54.5 m，電站裝機(jī)3×8MW。本工程為Ⅱ等工程，由攔河壩，表孔溢洪洞，底孔泄洪、沖沙、放空洞(導(dǎo)流洞改建，龍?zhí)ь^形式)，發(fā)電引水洞，地面廠房及電站尾水渠等組成。建筑物級(jí)別：攔河壩，表孔溢洪洞，底孔泄洪、沖沙、放空洞，發(fā)電引水洞進(jìn)口為2級(jí)，發(fā)電引水洞、發(fā)電廠房、尾水渠為3級(jí)，臨時(shí)性建筑物為4級(jí)。大壩包含許多監(jiān)測(cè)和檢查儀器，以確保大壩在運(yùn)行期間處于安全狀態(tài)，這些儀器能夠通過(guò)觀察獲得壩體內(nèi)部的沉降、移動(dòng)和孔隙水壓力的變化情況[5]。

3 土壤參數(shù)實(shí)驗(yàn)

本節(jié)旨在研究土石壩的土壤參數(shù)，然后將這些參數(shù)導(dǎo)入地質(zhì)邊坡軟件SEPE/W中的有限元程序中來(lái)模擬通過(guò)大壩的滲流。

3.1 壩殼材料參數(shù)

建造該大壩壩殼體所用的土壤為B級(jí)土壤，是大壩施工區(qū)域附近大量存在的當(dāng)?shù)赝寥?。壩殼參?shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 壩殼材料參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 心墻材料參數(shù)

心墻材料施工中使用的土壤為粉質(zhì)粘土，也是施工區(qū)域附近可大量獲得的當(dāng)?shù)赝寥?。由?shí)驗(yàn)確定的物理性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 心墻材料參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3 上游過(guò)濾層材料參數(shù)

大壩上游中用于建造細(xì)過(guò)濾層的土壤是壓碎的天然砂料。由實(shí)驗(yàn)確定的物理性質(zhì)參見(jiàn)表4。

表4 上游過(guò)濾層材料參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.4 下游過(guò)濾層材料參數(shù)

大壩下游中用于建造粗過(guò)濾層的土壤為礫石材料，可在施工區(qū)域附近的采石場(chǎng)獲得，土壤試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 下游過(guò)濾層材料參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 滲流分析

本文使用SEPE/W軟件分析大壩的穩(wěn)態(tài)滲流，該軟件是一種地質(zhì)邊坡分析工具，通過(guò)使用有限元方法模擬孔隙水壓分布和水在多孔介質(zhì)(土壤和巖石)中的運(yùn)動(dòng)。該軟件是一個(gè)通用的滲流分析程序，它可以模擬飽和和非飽和流動(dòng)，故SEPE/W能夠處理其他滲流軟件所不能解決的問(wèn)題。

有限元網(wǎng)格為1936，節(jié)點(diǎn)數(shù)為1998，見(jiàn)圖1。

圖1 有限元網(wǎng)格劃分

設(shè)定的上游邊界條件如下：上游水庫(kù)水位即總水頭50 m，代表水庫(kù)中的水的高度。下游邊界條件設(shè)定為：①位于下游壓頭常數(shù)等于0的坡腳排水點(diǎn)。②最高水位49.17 m，最低水位18.43 m，一半蓄水高度33.81 m?；谏鲜鲞吔鐥l件進(jìn)行分析。分析的結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 基于邊界條件的分析結(jié)果

5 滲流模擬

5.1 壩殼滲透性

本節(jié)考慮以下三種情況：

(1)壩殼的滲透率等于1000倍心墻的滲透率：Kshell=1000×5.3×10-9=5.3×10-6m/s；

(2)壩殼的滲透率等于10000倍心墻的滲透率：Kshell=10000×5.3×10-9=5.3×10-5m/s；

(3)壩殼的滲透率等于100000倍心墻的滲透率：Kshell=100000×5.3×10-9=5.3×10-4m/s。

圖2展示了不同滲透率的壩殼對(duì)滲透量的影響；圖3展示了不同滲透率的壩殼對(duì)出口坡度的影響。可以總結(jié)出壩殼滲透率與心墻滲透率比值對(duì)滲流量和出口坡度的影響：當(dāng)該比率增加時(shí)，出口坡度減小，比率的增加將導(dǎo)致殼體滲透性增加，這將導(dǎo)致通過(guò)殼體滲透量的增加。

圖2 不同壩殼滲透率與心墻滲透率比值對(duì)滲透量的影響

圖3 不同壩殼滲透率與心墻滲透率比值對(duì)出口坡度的影響

5.2 心墻在壩體中的作用

心墻是大多數(shù)土石壩的中心部分，主要由防滲材料組成，主要用途是阻止壩體內(nèi)滲流。根據(jù)材料的可獲取性和施工難度，心墻可由土壤、鋼材、混凝土或木材制成。本文研究以下兩種情況：

(1)有無(wú)心墻存在對(duì)滲透量和出口坡度的影響。圖4和圖5展示了當(dāng)大壩有無(wú)心墻時(shí)，滲流量和出口梯度與不同水頭之間的有限元分析結(jié)果。可以得到心墻對(duì)滲透量和出口坡度的影響：減少滲流量94%；出口坡度降低45%。

圖4 有無(wú)心墻對(duì)滲流量的模擬結(jié)果

圖5 有無(wú)心墻對(duì)出口坡度模擬結(jié)果

(2)心墻厚度對(duì)滲透量和出口坡度的影響。此處的厚度為位于零標(biāo)高的接地線上，零標(biāo)高時(shí)大壩堆芯的厚度為85 m，從每側(cè)(上游和下游)減少堆芯的厚度5 m，以保持堆芯在所有情況下與原始狀態(tài)一樣對(duì)稱。

圖6和圖7展示了不同水位下滲透量和出口坡度與心墻厚度變化之間的關(guān)系。降低堆芯厚度對(duì)滲漏量和出口坡度的影響為：每次降低堆芯厚度10 m，滲流量增加(8%～34%)，出口坡度增加(10%～93%)。

圖6 滲透量與心墻厚度的關(guān)系

圖7 出口坡度與心墻厚度的關(guān)系

5.3 大壩過(guò)濾層的作用

土石壩中的過(guò)濾層由位于壩體附近的粗粒土構(gòu)成。過(guò)濾層通常根據(jù)顆粒尺寸進(jìn)行分類，與筑壩用的土壤顆粒尺寸相比，上過(guò)濾層的顆粒應(yīng)具有足夠小的尺寸，以防止土壤侵蝕。下過(guò)濾層顆粒應(yīng)足夠粗，便于排水。

為實(shí)現(xiàn)這些功能，過(guò)濾層應(yīng)該在加工、搬運(yùn)和壓實(shí)過(guò)程中，級(jí)配不變。顆粒應(yīng)具有內(nèi)部穩(wěn)定性，能夠防止?jié)B流的發(fā)生。滲透率應(yīng)足以排出滲流并防止超孔隙水壓力的破壞。

(1)移除上游過(guò)濾層對(duì)滲流和出口坡度的影響可總結(jié)為：針對(duì)不同的水庫(kù)水位，移除過(guò)濾層會(huì)增加3%～17%的滲透量，出口坡度會(huì)增加5%～36%。圖8和圖9展示了在水庫(kù)水位變化的條件下，隨著上游過(guò)濾層的移除，滲漏量和出口坡度之間的關(guān)系。

圖8 移除上游過(guò)濾層對(duì)滲流的影響

圖9 移除上游過(guò)濾層對(duì)出口坡度的影響

(2)拆除下游過(guò)濾層對(duì)滲漏量和出口坡度的影響可總結(jié)為：對(duì)于不同的水庫(kù)水位，拆除下游過(guò)濾層會(huì)導(dǎo)致滲漏量增加10%～22%，出口坡度降低100%。

圖10和11顯示了在水庫(kù)水位變化期間，隨著下游過(guò)濾層的拆除，滲漏量和出口坡度之間的關(guān)系。

圖10 移除下游過(guò)濾層對(duì)滲流的影響

圖11 移除下游過(guò)濾層對(duì)出口坡度的影響

(3)拆除上游和下游過(guò)濾層對(duì)滲漏量和出口坡度的影響可總結(jié)為：對(duì)于不同的水庫(kù)水位，拆除過(guò)濾層會(huì)道州滲漏量增加12%～22%，出口坡度降低100%。

圖12和13展示了當(dāng)大壩有無(wú)上下游過(guò)濾層時(shí)，滲漏量和出口坡度與水庫(kù)水頭之間的關(guān)系。

圖12 移除上下游過(guò)濾層對(duì)滲流的影響

圖13 移除上下游過(guò)濾層對(duì)出口坡度的影響

6 控制灌漿修補(bǔ)方案的研究

為提高鉆進(jìn)效率和鉆進(jìn)質(zhì)量，過(guò)渡層材料應(yīng)質(zhì)地堅(jiān)硬、顆粒細(xì)、連續(xù)分級(jí)、松散分級(jí)，鉆進(jìn)時(shí)孔壁易坍塌，采用護(hù)壁鉆進(jìn)法。為避免孔壁形成的泥皮對(duì)過(guò)渡料控制灌漿的不利影響，采用套管壁鉆進(jìn)、水鉆或氣洗孔鉆進(jìn)。對(duì)于地層較深或礫石較大時(shí)，采用沖擊旋轉(zhuǎn)隨鉆法施工，施工方便，效率高。過(guò)渡層灌漿可采用閉孔法和套筒閥管法。過(guò)渡層自上而下采用閉孔灌漿進(jìn)行鉆孔和灌漿，鉆孔和灌漿交替進(jìn)行。每一次灌漿均在孔口封閉，灌漿段可重新充填，灌漿質(zhì)量良好。套筒閥管灌漿方法：先鉆灌漿孔，孔下入孔內(nèi)灌漿管(管)，在灌漿管與孔壁之間填充特殊填料，然后在灌漿管塞段內(nèi)安裝雙灌漿，套筒閥管灌漿孔的灌漿方法是鉆取，在地面上安裝連續(xù)灌漿管?？刹捎貌煌墓酀{壓力分段隔離，調(diào)整灌漿量。

7 結(jié)論

本文通過(guò)試驗(yàn)獲取了壩殼材料、心墻材料、上下游過(guò)濾層材料的參數(shù)，并將其應(yīng)用于有限元模擬過(guò)程中，得到了通過(guò)大壩的滲流模擬結(jié)果。結(jié)果表明：壩殼滲透率與心墻滲透率比值的變化對(duì)出口坡度和滲透量都有影響，當(dāng)該比值增大時(shí)，出口坡度減小，滲透量增大，壩殼滲透率與心墻滲透率比值為10000時(shí)是最佳的，因?yàn)樵谠撉闆r下滲漏量最低，出口坡度較緩和；心墻對(duì)通過(guò)大壩的滲透量有重要影響，當(dāng)心墻從大壩中移除時(shí)，滲透量會(huì)增加并達(dá)到94%的極端值，出口坡度會(huì)增加45%；將堆芯厚度減少10 m可能會(huì)導(dǎo)致滲漏量增加35%，出口坡度增加34%；有無(wú)上游過(guò)濾層對(duì)滲漏量和出口坡度沒(méi)有顯著影響，下游過(guò)濾層對(duì)滲漏量的影響很小，但拆除時(shí)出口坡度會(huì)降低100%。有無(wú)上下游過(guò)濾層將導(dǎo)致滲透量增加到12%～22%，拆除上下游過(guò)濾層也會(huì)導(dǎo)致出口坡度降低100%。本研究對(duì)于指導(dǎo)工程修建有很強(qiáng)的實(shí)際意義，可以通過(guò)合適的壩殼選材、修筑心墻、設(shè)置上下游過(guò)濾層來(lái)消除滲漏與出口坡度帶來(lái)的破壞。