小型均質(zhì)土石壩滲流分析及變形危害防護

楊青輝

(自貢市水利電力建筑勘測設(shè)計院，四川 自貢，643000)

土石壩是由土、砂石料等材料建成的壩，是歷史最悠久、數(shù)量最多的壩型。我國小型水庫眾多，20世紀六七十年代建設(shè)的小型水庫，其大壩多為土石壩，受歷史條件、水庫設(shè)計、施工技術(shù)以及運行管理等因素的制約，目前大多已成病險水庫。對小型均質(zhì)土石壩建立二維穩(wěn)定滲流的有限元表達，計算結(jié)果表明均質(zhì)土石壩的邊坡抗滑穩(wěn)定性受大壩滲流的影響很大。在大壩成功蓄水后，由于大壩上下游水頭差，均質(zhì)土壩壩體、壩肩及壩基會產(chǎn)生地下滲流，若防滲設(shè)施設(shè)置不當或被破壞，則滲透壓力會造成滲流破壞，此外，壩體浸潤線以下壩體填料處于飽和狀態(tài)，抗剪強度指標降低會降低下壩坡的抗滑穩(wěn)定系數(shù)[1]。因滲流破壞而造成土石壩失事的比例占到35%左右，對土石壩進行滲流分析，可了解土石壩滲漏機理，可有效布設(shè)防滲措施。

1 土石壩的滲流特性

均質(zhì)土石壩基本為無壓滲流，滲流狀態(tài)可分為穩(wěn)定滲流和不穩(wěn)定滲流。穩(wěn)定滲流主要在水庫在正常蓄水位時；不穩(wěn)定滲流主要在水庫泄洪及對大壩整治時降低水位至死水位時，此時壩體內(nèi)的浸潤面會隨著水位的下降而變化，需要考慮時間因素對壩坡穩(wěn)定的影響。本文主要研究土石壩穩(wěn)定滲流狀態(tài)。土石壩中的滲流流速v和坡降的J的關(guān)系一般符合如下的規(guī)律：

ν=KJ1/β

(1)

式中：K為滲透系數(shù)；β為參量，層流時為1～1.1，紊流時為2，過渡流態(tài)時為1.1～1.85[2]。

在本次小型均質(zhì)土石壩滲流分析中，假定滲流流速和坡降的關(guān)系符合達西定律(β=1)，壩體內(nèi)各點和各個方向的滲透系數(shù)K是相同的[2-3]。對于河谷中的小型土石壩，一般采用二維滲流分析就可滿足工程要求[2-3]。本次二維滲流分析的基本方程。

根據(jù)達西定律及流體力學的連續(xù)方程條件：

(2)

(3)

由式(2)及式(3)可得二維滲流方程：

(4)

上述三式中：νx、νy為x向和y向的滲流流速；Kx、Ky為x向和y向的滲透系數(shù)，并假定Kx和Ky不隨坐標而變化；H為滲流場中某一點的滲壓水頭。

由于土石壩壩體填筑的施工為分層夯實，實際上壩體的滲透系數(shù)不是均勻的，水平向滲透系數(shù)Kx和豎直向的滲透系數(shù)Ky并不相同，其差別可達10倍以上，因此，滲透不均勻性不能忽略[4]。將式(4)進行坐標變換：

(5)

變換后的坐標系XY中：

(6)

可使計算得到很大程度的簡化，滲流流速仍然符合達西定律，但需將Kx和Ky代之以K=(KxKy)0.5，最后再將XY坐標系中的計算結(jié)果按式(5)轉(zhuǎn)回xy坐標系中[2，5]。

2 水力學滲流分析方法

2.1 不透水地基均質(zhì)土壩

2.1.1 下游無排水棱體

浸潤線位置可以利用水力學的方法近似確定，并計算出滲流流量、平均流速及坡降。水力學方法計算滲流需對土石壩進行相應(yīng)的假定：等勢線和流線均緩慢變化，滲流是緩變流動，滲流區(qū)可用矩形斷面的滲流場模擬。土石壩全斷面滲流(等效滲流長度為L)水力坡降為J=(H1-H2)/L，平均過滲斷面為A=(H1+H2)/L，利用達西定律可推導出均質(zhì)土石壩單寬流量q為：

(7)

同理可推導出計算點的滲流水深y為：

(8)

上述二式中：H1、H2為上、下游水深；L為滲流區(qū)長度；x為計算點至上游起始截面的距離。

對典型土石壩剖面分析后，可將其剖面分成上游水位以下的三角形、中間段、下游浸潤線以下的三角形，如圖1所示。

圖1 不透水地基均質(zhì)土壩計算

上游三角形壩體可用等效矩形體代替，其矩形寬度ΔL根據(jù)電擬試驗成果，可近似用下式計算：

(9)

式中：m1為上游壩坡系數(shù)，邊坡時可取其平均值。

將等效矩形體和中間段作為整體(參見圖1，E0B′B″段)，設(shè)滲透系數(shù)為K，根據(jù)達西定律和漸變流定理，通過各豎直截面的滲透流量為：

(10)

圖2 不透水地基均質(zhì)土壩下游壩腳計算

(11)

根據(jù)滲流連續(xù)的邊界條件，q1=q2=q，聯(lián)立式(10)與式(11)或用試算法可求得a0和q值。

2.1.2 下游有排水棱體

因排水棱體滲透系數(shù)遠大于壩體滲透系數(shù)，故浸潤線將要進入排水體時，下降加快，進入排水體后驟降。由式(10)可知壩體內(nèi)的浸潤線為拋物線，因此，可以近似假定排水棱體內(nèi)坡腳與下游水面交點為拋物線的焦點，近似把H2高度內(nèi)壩體認為不透水，浸潤線進入排水棱體后與下游水面的交點為拋物線頂點，并建立坐標系，如圖3所示。

圖3 有排水棱體不透水地基均質(zhì)土壩計算

設(shè)拋物線的標準方程為有y2=2Ax+B，當x=0時，y=h0；由拋物線的性質(zhì)可知當x=Lg=-h0/2時，y=0，因此，可以求出拋物線的方程為y2=2h0x+h02?？赏ㄟ^邊界條件x=L，y=H1-H2求得h0=(L2-(H1-H2)2)0.5-L。參考式(10)的推導可得滲流量為：

(12)

式(12)計算出來的滲流量與實際情況有所差別，算出的浸潤線比實際偏高，因此，在計算壩坡穩(wěn)定時是偏安全的。

2.2 透水地基均質(zhì)土壩

透水地基均質(zhì)土壩滲流量計算可看成不透水地基土石壩通過壩體的滲流量和把壩體當不透水體計算的壩基有壓滲流量之和。壩體不透水計算壩基內(nèi)有壓滲流量q2：

(13)

式中：T、KT為壩基透水層深度及其滲透系數(shù)；L0為壩底寬度(不包括透水料部分)。

2.3 土石壩滲流分析常用工程軟件

Autobank、ANSYS、Geostudio等基于二維滲流方程開發(fā)的滲流計算軟件，能較精確地計算小型均質(zhì)土石壩的滲流量、滲透坡降及滲流流速等參數(shù)，在小型均質(zhì)土壩的除險加固設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用。

3 滲流變形及其防護

3.1 土石壩滲透變形主要類型

我國早期的小型均質(zhì)土石壩由于其構(gòu)成材料主要是土料、石料或是土石混合料。壩體長期在水中浸泡，水分會順著土石料顆粒間縫隙進行流動，微小的滲透不會導致壩體變形，但如果滲流量很大，當水力坡降大于土體破壞時的臨界坡降時就會使壩體產(chǎn)生變形進而可能發(fā)展成潰壩事故。下游壩坡腳處的水力坡降是進行土石壩滲流計算時需重點關(guān)注的地方，因為該處發(fā)生滲透變形可能導致壩下游坡面產(chǎn)生局部滑動。土石壩的滲透變形主要有接觸沖刷、流土、管涌和接觸流土等四種情形[2]。

3.2 滲透變形原因簡析

土體中的滲透壓力大小和水力坡降成正比，其方向與滲透方向一致。當土顆粒的滲透壓力大于其受到的重力或者阻力時，土體就要發(fā)生浮起或者遭到破壞。當向上的滲透壓力克服了重力時，土顆粒間的有效應(yīng)力為零，顆粒集體發(fā)生懸浮移動的現(xiàn)象稱為流土現(xiàn)象。該現(xiàn)象常發(fā)生在顆粒級配均勻土層中，一般為突發(fā)性的，對工程危害大。

流土現(xiàn)象的發(fā)生取決于滲透壓力的大小、土顆粒級配、密度及土體的透水性等。當剛開始發(fā)生流土現(xiàn)象時的水力坡降稱為臨界水力坡降icr，即滲透壓力γwi等于土的浮重度γ′時，土體處在臨界狀態(tài)，因此，臨界水力坡降icr為：

(14)

式中：ds為土顆粒比重；n為土體孔隙率。

臨界水力坡降與土的特性密切相關(guān)，不均勻系數(shù)越大，icr值越??；土中細顆粒含量高，icr值增大；土的滲透系數(shù)越大，icr值越小。

3.3 滲透變形的防治

小型均質(zhì)土石壩的滲透變形主要表現(xiàn)形式為流體和接觸沖刷。

對上述滲透變形的防治思路或者方法為：減小或者消除水頭差，如設(shè)置反濾減壓井或反濾排水溝，降低滲流出口處的滲透壓力，有效排除壩基滲水；在滲流出口處用透水材料覆蓋壓重以平衡滲透壓力；在土體顆粒粒徑相差較大時設(shè)置過渡層并設(shè)置反濾層[6]。

4 結(jié)論

(1)利用水力學的方法近似分析小型均質(zhì)土石壩的滲流可知，其滲流量與滲透系數(shù)及上游水頭成正比，與下游水頭及滲流長度成反比。

(2)小型均質(zhì)土石壩在下游坡腳設(shè)置排水棱體可有效降低浸潤線及滲流量，有利于大壩壩坡穩(wěn)定。

(3)壩體某處的水力坡降大于該處的臨界水力坡降時，會發(fā)生滲透破壞；臨界水力坡降的影響因素包括不均勻系數(shù)、細顆粒含量、滲透系數(shù)等。

(4)小型均質(zhì)土石壩的滲透變形防治辦法為：減小或者消除水頭差；在可能滲流出口處設(shè)蓋重，并設(shè)置反濾排水；土體顆粒粒徑相差較大時設(shè)置過渡層并設(shè)置反濾層。