土石壩滲流穩(wěn)定性試驗(yàn)分析

王 萍

（蘭陵縣水利局,山東 蘭陵 277700）

1 工程概況

某土石壩壩高92 m、壩頂寬14 m、壩底寬256 m,壩體上、下游高寬比分別是1∶2和1∶1.8。石壩過渡層粒徑不超過300 mm,粒徑5 mm以下的占比不超過10%；反濾料粒徑不超過,粒徑0.075 mm以下的占比不超過5%；堆石區(qū)土料粒徑不超過800 mm,粒徑0.075 mm以下的占比不超過5%。

2 模型參數(shù)

由于模型尺寸限制,模型和原大壩尺寸比例為1∶150。但若是按此比例會因?yàn)閴雾攲挾忍《鴮?dǎo)致模型無法正常建立,所以對于壩頂寬度額外將其放大至10 cm。根據(jù)比例設(shè)定壩前穩(wěn)定水位為58 cm,包含防浪墻高度的壩高為62 cm。在心墻中心處布設(shè)了3層孔隙水壓力計(jì)來對孔隙水壓力大小進(jìn)行監(jiān)測,監(jiān)測位置與壩底的距離依次為15 cm、30 cm、40 cm,在各層內(nèi)有設(shè)置壓力計(jì)2個（編號依次為A、B、C、D、E、F）,20 cm為壓力計(jì)間隔。大壩實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D和壓力計(jì)分布情況見圖1。壩體分區(qū)從內(nèi)至外依次是堆石區(qū)、過渡區(qū)和心墻區(qū)。波流水槽中間為鋼結(jié)構(gòu),槽尾、槽首、底部為混凝土結(jié)構(gòu),在水槽兩側(cè)安裝鋼化玻璃,可借助透明玻璃來對槽中情況進(jìn)行觀察。設(shè)定20 mm與10 mm分別是模型堆石區(qū)、過渡區(qū)土料粒徑。土料在全部分區(qū)中的粒徑均不超過20 mm,達(dá)到低于水槽寬度的0.1倍的要求,其中800 mm為水槽寬度。因?yàn)榉礊V區(qū)與過渡區(qū)的滲透系數(shù)都較大,可將兩者整合為一個區(qū),且不會對壩體滲流場造成較大影響。0.5 mm為反濾層土料的等效粒徑。設(shè)置工況時,依次在高度15 cm、30 cm、40 cm處布設(shè)高滲透區(qū)域,厚度為4 cm,具體見表1。

表1 工況具體情況

圖1 大壩實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D和壓力計(jì)分布情況

3 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)過程

將工況1 作為例子，將模型壩剖面輪廓畫在水槽雙側(cè)鋼化玻璃上，之后將1 cm高的高嶺土鋪設(shè)在壩基部位，并將硅膠涂抹在鋼化玻璃內(nèi)側(cè)，涂抹厚度為5 mm，以此黏結(jié)壩體材料和提高玻璃界面摩擦力，達(dá)到降低界面滲流的目的。從心墻開始朝兩側(cè)依次填筑土料，土料厚度5 cm，填筑時放置好孔隙水壓力計(jì)。壩體填筑完畢后，借助熱風(fēng)槍對外側(cè)玻璃進(jìn)行加熱和靜置的方式來提高硅膠凝固速度，硅膠凝固24小時后進(jìn)行壩體滲透試驗(yàn)。先將水槽控制臺軟件和數(shù)據(jù)收集儀器調(diào)試到正常狀態(tài)，開始采集數(shù)據(jù)并同步對壩體下游滲漏量和孔隙水壓力進(jìn)行監(jiān)測，在水位到達(dá)預(yù)定水位時不再放水，但監(jiān)測活動繼續(xù)進(jìn)行。因?yàn)榇嬖跐B漏，所以在試驗(yàn)時進(jìn)行了略微補(bǔ)水來確保壩前水位保持穩(wěn)定。其余工況（2、3和4）和工況1大致相同，不同處分別是在壩基15 cm、30 cm和40 cm處的心墻布設(shè)了高滲透區(qū)（厚4 cm）。

3.2 監(jiān)測結(jié)果

因?yàn)榭紫端畨毫τ?jì)高度一致同時對稱分布，所以兩者讀數(shù)基本一致，所以這里對于每層孔隙水壓力計(jì)只給出一個的監(jiān)測數(shù)據(jù)，具體見圖2。從圖2中能夠看出，監(jiān)測剛開始階段，孔隙水壓力計(jì)大小基本為0，表示孔隙水壓力計(jì)接近飽和狀態(tài)。

圖2 各工況孔隙水壓力監(jiān)測結(jié)果

對于沒有設(shè)置高滲透區(qū)的工況1，當(dāng)水位增大時，各位置的孔隙水壓力計(jì)監(jiān)測值也持續(xù)提高，增大至壩前水位不再升高時，監(jiān)測數(shù)據(jù)隨之保持穩(wěn)定。離壩基15 cm處的孔隙水壓力計(jì)A設(shè)置的高度不大，孔隙水壓力大小在0.35 h時開始從0快速提高，于0.84 h處趨于穩(wěn)定；離壩基30 cm處的孔隙水壓力計(jì)C，其孔隙水壓力大小在0.56 h時開始從0快速提高，于0.84 h處趨于穩(wěn)定；離壩基40 cm處的孔隙水壓力計(jì)F，其孔隙水壓力大小在0.64 h時開始從0快速提高，于0.84 h處趨于穩(wěn)定。當(dāng)水位在0.84 h后到達(dá)預(yù)設(shè)水位時，各個監(jiān)測計(jì)的數(shù)值均逐漸保持不變，孔隙水壓力計(jì)A、C、F穩(wěn)定后的大小依次是3.33 Pa、2.36 Pa和1.53 Pa，見表2。由達(dá)西定律可以得知，因?yàn)楸O(jiān)測計(jì)A、C、F距離壩前水位面越來越近，壓力水頭隨之減小，故孔隙水壓力值逐漸減小。壩體滲流的水在46 min后到達(dá)擋水板部位，滲漏水體的高度在80 min后達(dá)到5 mm，90 min后接近7 mm，這時監(jiān)測活動不再繼續(xù)，對滲漏水量進(jìn)行測算得出其值為9.5L，平均滲漏速度達(dá)到6.4 L/h。

表2 各工況監(jiān)測值

如圖2（b）所示為工況2的監(jiān)測數(shù)據(jù)，各部位設(shè)置的孔隙水壓力計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)隨著水位的變高而持續(xù)增大，直至壩前水位保持穩(wěn)定不再變化時，監(jiān)測數(shù)據(jù)隨之保持穩(wěn)定。與上一工況相比，監(jiān)測計(jì)C、A部位的孔隙水壓力監(jiān)測值增大明顯，依次為2.62 kPa和3.77 kPa，同時孔隙水壓力也更早從0開始增大。這是由于有高滲透區(qū)存在于工況2 中，使?jié)B流速度得到增強(qiáng)，削弱了心墻內(nèi)部水頭損失幅度，使孔隙水壓力增大。不過監(jiān)測計(jì)E、F部位的孔隙水壓力未發(fā)生明顯變化，此現(xiàn)象是由于監(jiān)測計(jì)E、F所在部位（距壩基40 cm）要比監(jiān)測計(jì)A、C所在部位高，基本不會受到高滲透區(qū)的影響。壩體滲流的水在36 min后到達(dá)擋水板處，滲漏水體的高度在90 min后達(dá)到2 cm，這時監(jiān)測活動不再繼續(xù)，對滲漏水量進(jìn)行測算得出其值為27 L，平均滲漏速度達(dá)到18 L/h，是工況1滲透速度的2.8 倍。

如圖2（c）所示為工況3的監(jiān)測數(shù)據(jù)，和第一種工況相比，監(jiān)測計(jì)A、C部位的孔隙水壓力監(jiān)測值同樣有明顯提高；第三種工況和第二種工況相比，前者監(jiān)測計(jì)A處孔壓（3.6 kPa）小于后者（3.77 kPa），但前者監(jiān)測計(jì)C處孔壓（2.72 kPa）比后者（2.62 kPa）高，此現(xiàn)象是由于工況3的監(jiān)測計(jì)C和工況2中的監(jiān)測計(jì)A都處在高滲透部位，水頭損失均比較低，所以孔壓值要大于其他工況。和工況2相比，工況3中監(jiān)測計(jì)E部位的孔壓值略大于工況2，此現(xiàn)象是由于監(jiān)測計(jì)位置與高滲透區(qū)距離較短。這是因?yàn)楸O(jiān)測點(diǎn)離高滲透區(qū)域相對較近。壩體滲流的水在37 min后到達(dá)擋水板處，滲漏水體的高度在90 min后達(dá)到1.9 cm，這時監(jiān)測活動不再繼續(xù)，對滲漏水量進(jìn)行測算得出其值為25.7L，平均滲漏速度達(dá)到17.2 L/h，略低于工況2。此現(xiàn)象是由于工況2的高滲透區(qū)域處在心墻最下部，水力壓力較高，所以滲流量也比較大。

如圖2（d）所示為工況4的監(jiān)測數(shù)據(jù)，和第一種工況相比，其孔隙水壓力增大時間提前的較為明顯。并且和第2、3工況相同，在工況4中，位于高滲透區(qū)的監(jiān)測計(jì)E孔壓值大于其余工況。如同工況2、3、4中，處在高滲透區(qū)域處的CH5孔壓值比其他工況較大。壩體滲流的水在72 min后到達(dá)擋水板處，滲漏水體的高度在90 min后達(dá)到1.8 cm，這時監(jiān)測活動不再繼續(xù)，對滲漏水量進(jìn)行測算得出其值為24.2 L，平均滲漏速度達(dá)到16.2 L/h，略低于工況3和工況2。此現(xiàn)象是由于高滲透區(qū)處在心墻最下部，水力壓力比較低，所以滲流量也比較小。如圖3所示為各工況中滲漏水體高度的變化情況。從圖3中能夠得到，當(dāng)高滲透區(qū)所在位置提高時，其壓力水頭逐漸減小，同時因?yàn)閴毫λ^與壩體滲漏量間的關(guān)系屬于正相關(guān)，所以壩體滲漏量也逐漸降低。

圖3 各工況中滲漏水體高度的變化情況

3.3 對比分析

如圖4所示為不同工況不同部位孔隙水壓的變化曲線,通過分析能夠發(fā)現(xiàn)：在工況相同時,心墻各位置孔壓增大速度大致相同,最先增大部位為心墻底部,穩(wěn)定后的孔壓值也最高。此現(xiàn)象是由于滲透壓力在底部較高,所以滲流速度較大,同時穩(wěn)定后的水頭也最高；心墻存在高滲透區(qū)時各位置的孔壓值均呈上升趨勢,同時滲漏量明顯提高,這給借助滲漏量和孔壓監(jiān)測數(shù)據(jù)分析心墻的質(zhì)量提供了有力支撐；整體來看,位置相同時,工況有高滲透區(qū)時的孔壓值要比無高滲透區(qū)大,并且孔壓值隨著與高滲透區(qū)距離的減小而增大。此現(xiàn)象是因?yàn)楦邼B透區(qū)滲透系數(shù)較高,參考達(dá)西定律能夠得到心墻水力坡降要大于高滲透區(qū),所以當(dāng)徑流一致時,高滲透區(qū)的水頭損失更低。

4 結(jié)論

本研究以某心墻土石壩為研究背景,通過建立室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了壩體滲流監(jiān)測試驗(yàn),分析了壩體滲漏量和心墻孔隙水壓力受高滲透區(qū)的影響程度,得出以下結(jié)論：

1）當(dāng)高滲透區(qū)所在位置提高時,其壓力水頭逐漸減小,同時因?yàn)閴毫λ^與壩體滲漏量間的關(guān)系屬于正相關(guān),所以壩體滲漏量也逐漸降低。

2）在工況相同時,心墻各位置孔壓增大速度大致相同,最先增大部位為心墻底部,穩(wěn)定后的孔壓值也最高；心墻存在高滲透區(qū)時各位置的孔壓值都表現(xiàn)為逐漸增大的規(guī)律,滲漏量增大明顯,這給通過滲漏量和孔壓監(jiān)測數(shù)據(jù)來分析心墻性能提供了有力支撐。

3）整體來看,位置相同時,工況有高滲透區(qū)時的孔壓值要比無高滲透區(qū)大,并且孔壓值隨著與高滲透區(qū)距離的減小而增大。