淤泥大壩上下游防滲加固改造技術(shù)及滲流分析

王冶志,李翠蘭

(東港市水資源服務(wù)中心,遼寧 東港 118300)

0 引 言

淤泥大壩是一種特殊的壩型,由于其各部分的材料成分和工程特性有所不同,因此容易產(chǎn)生滲流問(wèn)題[1-2]。滲流是指水流通過(guò)土體、巖石中的孔隙或裂縫中,導(dǎo)致大壩發(fā)生滲漏或滲水現(xiàn)象。這種滲流現(xiàn)象可能對(duì)大壩的安全性和穩(wěn)定性造成威脅,因此需要采取相應(yīng)的防滲加固技術(shù)和進(jìn)行滲流分析。

淤泥大壩的上游和下游區(qū)域是防滲加固的重點(diǎn)區(qū)域,上游防滲加固技術(shù)主要包括使用黏土斜墻、注漿排水、加固壩體等措施[3]。黏土斜墻是一種常用的防滲措施,通過(guò)在壩體上游面增加一層黏土質(zhì)的傾斜墻體,可以有效提高壩體的防滲性能。注漿排水是利用注漿和排水系統(tǒng),截?cái)嗪涂刂茲B流[4]。加固壩體可以通過(guò)增加壩體的厚度、加固壩基等方式,增強(qiáng)大壩的穩(wěn)定性和抗?jié)B能力。對(duì)于淤泥大壩的下游區(qū)域,一種常用的防滲加固技術(shù)是通過(guò)使用原壩體材料培厚。該方法利用原有壩體材料對(duì)下游壩坡進(jìn)行加固,增加壩體的抗?jié)B能力和穩(wěn)定性[5]。

滲流分析是對(duì)大壩上下游區(qū)域的滲流情況進(jìn)行研究和分析。通過(guò)對(duì)滲流路徑、滲透流量、滲流壓力等參數(shù)的分析,可以評(píng)估滲流對(duì)大壩的影響和風(fēng)險(xiǎn),并為防滲加固措施的設(shè)計(jì)和選擇提供科學(xué)依據(jù)。因此,為了提升淤泥大壩的防滲性能,本文采用滲流模型,對(duì)水流的滲流參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,研究?jī)煞N不同的上下游加固方案,通過(guò)對(duì)加固后的壩體滲流參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,提出合理的防滲加固措施。

1 滲流計(jì)算方法及加固技術(shù)

1.1 滲流計(jì)算方法

水流通過(guò)多孔介質(zhì)發(fā)生滲流,多孔介質(zhì)周?chē)鸀閳?jiān)硬的外殼,內(nèi)部為稀疏多孔的材質(zhì)[6]。水體產(chǎn)生滲流包括兩種情況,分別為土壤本身結(jié)構(gòu)的特性以及由于水流之間有壓強(qiáng)的差別,使水流在土壤中流動(dòng),并且流動(dòng)的方向是從壓強(qiáng)高的位置到壓強(qiáng)低的位置[7]。然而,按照傳統(tǒng)的方法來(lái)定義水流的流速研究效果不佳。因此,對(duì)水流滲流的研究主要是在宏觀上了解滲流在一定范圍內(nèi)的平均效果。

滲流模型作為滲流力學(xué)領(lǐng)域中一種方便的計(jì)算方法,常被應(yīng)用于滲流的計(jì)算中。滲流模型認(rèn)為,水流填滿孔隙后會(huì)繼續(xù)流動(dòng),當(dāng)土壤基質(zhì)全被水流填滿后,則完成滲流作用[8-9]。滲流作用在一個(gè)有界的空間內(nèi)進(jìn)行,因此引入一個(gè)邊界條件,以此達(dá)到控制流程邊界的目的[10]。邊界條件一共有3種:第一種為水頭邊界條件,即邊界上給定的水頭分布;第二種為流量邊界條件,即在邊界上給定的流量分布;第三種為混合邊界條件,空間內(nèi)的壓強(qiáng)差與外界的水流交換量之間有一種線性關(guān)系[11]。3種邊界條件的計(jì)算公式如下:

式中:(x,y,z)為坐標(biāo);t為時(shí)間;n為邊界法線;β、α均為常數(shù);qn為單元面積上的流量;K為滲透系數(shù)。

式中:lx、ly、lz為邊界法線與坐標(biāo)軸之間的方向余弦;kx、ky、kz為3個(gè)坐標(biāo)軸方向上的滲透系數(shù)。

圖1 壩體的浸潤(rùn)面示意圖

[H]{φ}={F}

(3)

式中:[H]為整體的滲流矩陣;{φ}為滲流場(chǎng)水頭;{F}為節(jié)點(diǎn)的滲流量。

根據(jù)式(3)可以求出水頭,進(jìn)一步可以求出水力的坡降、滲流量。通過(guò)對(duì)滲流各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算,可以為后續(xù)防滲加固改造技術(shù)的防滲效果進(jìn)行分析,選出最佳的防滲加固方案。

1.2 防滲加固改造技術(shù)

淤泥壩防滲加固改造技術(shù)的目的是使淤泥壩在結(jié)構(gòu)上滿足防滲設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)蓄水功能安全、順利地進(jìn)行?；诖?有兩種具體的方案:方案A是在上游壩坡點(diǎn)建立一個(gè)黏土質(zhì)斜墻體,培厚下游坡壩,同時(shí)還需要在下游壩腳處建立一個(gè)排水設(shè)施,使上下游的壩坡邊坡系數(shù)滿足規(guī)定的要求。方案B是采用原壩體材料培厚上下游壩坡,使坡度的角度變緩,延長(zhǎng)滲流的路徑,同時(shí)也需要在下游壩腳處建設(shè)一個(gè)排水設(shè)施。

方案A具體實(shí)施過(guò)程如下:黏土斜墻是一種常見(jiàn)的土工防護(hù)結(jié)構(gòu),用于抵抗邊坡土體被侵蝕和沖刷的力量。它通常是由黏土材料構(gòu)成的傾斜坡面,與坡面呈一定的傾角。其主要作用是防止水流沖刷和侵蝕邊坡土體,增強(qiáng)邊坡的穩(wěn)定性。當(dāng)水流沖刷邊坡時(shí),黏土斜墻能夠減弱沖刷力,限制土體的下移和側(cè)向侵蝕,保持坡體的完整性。黏土斜墻和原壩體材料不同,原壩體材料的滲透系數(shù)大于黏土的滲透系數(shù),具有更好的防滲性能。同時(shí),還需要設(shè)置一層反濾層,以達(dá)到保護(hù)斜墻的目的。反濾層是指在施工黏土斜墻前,設(shè)置一層合適的過(guò)濾材料,用于防止黏土顆粒被沖刷掉,從而保持黏土斜墻的穩(wěn)定性。還需要在上游壩坡處加設(shè)保護(hù)層。保護(hù)層是在黏土斜墻表面設(shè)置一層防護(hù)層材料,如鋼筋網(wǎng)、土工布等,用于增強(qiáng)黏土斜墻的抗沖刷能力。

方案B的具體實(shí)施過(guò)程如下:采用弱于方案A中的原壩體材料進(jìn)行加厚,同時(shí)在上下游位置采用培厚進(jìn)行壩坡加固。培厚加固是在上下游壩坡位置回填土料及風(fēng)化料,其目的是使方案的實(shí)施進(jìn)行簡(jiǎn)化,壩體的結(jié)構(gòu)相較于方案A會(huì)比較簡(jiǎn)單。方案B的上游壩坡從外到內(nèi)分別為護(hù)坡、壩體,下游護(hù)坡同樣采用草皮。

方案A和方案B分別有13種和11種上下游壩坡加固方案,利用數(shù)值分析方法對(duì)方案A和方案B在校核水位下的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。方案A和方案B中各自對(duì)應(yīng)的方案表示、兩種改造方案的上下游壩坡邊坡系數(shù)以及滲透系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 上下游壩坡邊坡系數(shù)以及滲透系數(shù)

為了滿足具體的需求,方案A中的上游護(hù)坡厚度、保護(hù)層的厚度、反濾層厚度依次為0.5、1.2和1.40m,并且3種加固設(shè)施與壩坡之間呈平行、貼合關(guān)系。護(hù)坡、保護(hù)層和反濾層的材料依次采用干砌石、砂礫石和天然砂礫材料,其中天然砂礫材料需要根據(jù)實(shí)際的情況和工程要求進(jìn)行配比。在下游坡腳處安置一個(gè)褥墊排水裝置,褥墊與壩體之間有1%的角度差值,以確保水流能夠快速流動(dòng)。在下游草皮護(hù)坡下方填充一層厚度0.5m的碎石,以保證草皮的穩(wěn)固。方案B中,將干砌石作為護(hù)坡材料,其鋪設(shè)厚度為0.5m,保證與方案A的護(hù)坡鋪設(shè)方法和材料的一致。在方案B中的上游和下游坡腳位置同樣鋪設(shè)一層草皮,下方墊上0.5m的碎石。排水設(shè)備也與方案A中的一致。方案A和方案B改造技術(shù)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 方案A和方案B的改造技術(shù)示意圖

2 防滲加固技術(shù)試驗(yàn)與分析

2.1 滲流計(jì)算方法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證滲流模型計(jì)算的有效性,采用Autobank軟件計(jì)算出的結(jié)果作為實(shí)際參數(shù)值,將實(shí)際的參數(shù)值與滲流模型計(jì)算出的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比。構(gòu)建的仿真壩體模型高度、上下游水深依次為15.0、13.0和2.0m。模型上游壩坡的邊坡系數(shù)值為3.0m,下游壩坡的邊坡系數(shù)值為2.0m。仿真壩體的上部壩頂寬設(shè)置為5.0m,滲透系數(shù)為0.001cm/s。兩種方式計(jì)算得出的浸潤(rùn)線結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 浸潤(rùn)線計(jì)算結(jié)果

圖3(a)為仿真模型設(shè)置的初始效果圖;圖3(b)為Autobank軟件和滲流模型計(jì)算的浸潤(rùn)線。可以看出,通過(guò)Autobank軟件計(jì)算的滲流逸出點(diǎn)高度為5.52m,而采用滲流模型計(jì)算的滲流逸出點(diǎn)高度為5.15m,誤差值僅為6.7%。同時(shí),采用Autobank軟件計(jì)算出的單寬滲流量為2.25×10-6m3/s,滲透模型計(jì)算出的單寬滲流量為2.31×10-6m3/s,誤差值為2.7%。因此,研究結(jié)果驗(yàn)證了構(gòu)建的滲透計(jì)算方法的有效性,能夠應(yīng)用于加固方案滲流分析中。

2.2 兩種加固方案對(duì)比試驗(yàn)與分析

在對(duì)加固方案的防滲效果進(jìn)行分析之前,需要計(jì)算壩體的出口滲透比降和容許滲透比降之間的比值。該比值可用于判斷大壩的安全性,比值越小,表明壩體越不容易產(chǎn)生滲透破壞,因此也越堅(jiān)固。選擇某地淤泥壩體作為研究對(duì)象,按照相應(yīng)的計(jì)算公式,可以得出該壩體的水流溢出高度為12.0m,單寬滲流量為4.5×10-6m3/s。下游壩坡出口滲透比降、容許滲透比降分別為3.43和0.45。由于存在出口滲透比降大于容許滲透比降的情況,因此該壩體的防滲效果較差,需要采用防滲加固措施進(jìn)行處理。采用方案A和方案B分別對(duì)壩體進(jìn)行加固,加固后的出口滲透比降和單寬滲流量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 兩種方案加固后的出口滲透比降和單寬滲流量計(jì)算結(jié)果

從表2可知,采用方案A中的A1-A13方案,壩體的單寬滲流量相較于初始值4.5×10-6m3/s,分別下降82.78%、83.07%、87.44%、88.04%、88.78%、90.38%、90.42%、91.51%、91.58%、91.60%、91.60%、91.62%、91.67%;出口滲透比降與初始的3.43值相比,分別減少86.88%、87.76%、89.80%、90.67%、90.96%、91.55%、91.84%、93.00%、93.29%、93.29%、93.29%、93.29%、93.59%。采用方案B中的B1-B11方案,壩體的單寬滲流量與初始值相比,分別下降23.11%、30.44%、31.56%、31.78%、32.00%、32.22%、32.89%、33.11%、34.44%、34.67%、35.11%;出口滲透比降與初始值相比,分別減少79.01%、81.05%、81.92%、83.09%、83.97%、84.84%、86.01%、88.92%、88.92%、89.21%、89.50%。

由此可見(jiàn),A13方案相較于方案A中的其他方案,單寬滲透量和出口滲透比降減少最多。B11方案相較于方案B中的其他方案,單寬滲透量和出口滲透比降減少最多。對(duì)A13、B11這兩種方案的浸潤(rùn)線進(jìn)行計(jì)算,分析兩種方案的防滲效果,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 兩種方案的浸潤(rùn)線計(jì)算結(jié)果

圖4(a)為A13方案改造后的浸潤(rùn)線計(jì)算結(jié)果;圖4(b)為B11方案改造后的浸潤(rùn)線計(jì)算結(jié)果。在壩體改造前,水流進(jìn)入壩體的高度為20.0m,經(jīng)過(guò)A13方案改造后的浸潤(rùn)線流進(jìn)壩體的高度為12.0m,與改造前的高度相比減少40.0%。經(jīng)過(guò)B11方案改造后的浸潤(rùn)線流進(jìn)壩體的高度為16.0m,與改造前的高度相比減少20.0%。因此,采用A方案中的A13方案能夠有效降低水流的浸潤(rùn)線,使水流和壩體之間的作用力減小,減小了水流對(duì)壩體防滲效果的損傷。

3 結(jié) 論

為了提升淤泥大壩上下游防滲水的性能,本文分析了兩種不同的上下游加固方案,并對(duì)加固后的壩體滲流參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果顯示,滲透模型計(jì)算出的單寬滲流量與Autobank軟件結(jié)果相比,誤差值僅為2.7%。方案A中的A13方案,壩體的單寬滲流量相較于初始值減少91.67%;出口滲透比降與初始值相比,減少93.59%。而采用方案B中的B11方案,壩體的單寬滲流量與初始值相比,下降35.11%;出口滲透比降與初始值相比,減少89.50%。A13方案和B11方案改進(jìn)后壩體的水流浸潤(rùn)線相較于原始高度,分別減少40.0%和20.0%。研究表明,在上游設(shè)置護(hù)坡、保護(hù)層、黏土斜墻、反濾層,下游采用褥墊排水和草皮進(jìn)行加固,且上下游的壩坡系數(shù)分別為3.00和2.75時(shí),能有效提升淤泥大壩的防滲性能。