(新疆伊犁州喀什河流域管理處，新疆 伊寧 835000)

反調(diào)節(jié)水庫(kù)土工膜防滲工程穩(wěn)定性分析

易鵬

(新疆伊犁州喀什河流域管理處，新疆 伊寧 835000)

反調(diào)節(jié)水庫(kù)能夠彌補(bǔ)水庫(kù)排沙期不能供水的弊端，對(duì)當(dāng)?shù)毓I(yè)及居民生活、經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。通過(guò)對(duì)反調(diào)節(jié)水庫(kù)土工膜防滲大壩的滲流與穩(wěn)定計(jì)算分析，在土石壩上游鋪設(shè)土工膜能防止壩坡滲漏失穩(wěn)，保證反調(diào)節(jié)水庫(kù)安全運(yùn)行，增加功能效益。利用數(shù)值仿真軟件計(jì)算出的滲流比降均小于允許最大比降，最小穩(wěn)定安全系數(shù)在不同工況條件下均大于最小允許值，表明大壩上游鋪設(shè)土工膜防滲后處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，滲透危險(xiǎn)低。

反調(diào)節(jié)水庫(kù)；土工膜；防滲；滲流穩(wěn)定分析

土石壩是全世界使用最普遍的一種壩型，具有經(jīng)濟(jì)效益好、施工機(jī)械化、抗震性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。中國(guó)水庫(kù)大部分為土石壩結(jié)構(gòu)，在防洪、蓄水方面發(fā)揮重大作用，但是土石壩也存在著許多安全問(wèn)題，其中滲透是最大的危險(xiǎn)來(lái)源之一[2]。有數(shù)據(jù)表明，241座水庫(kù)發(fā)生的事故中，大約32%是由于滲透變形引起的[3]。土工膜具有良好的不透水性，防滲效果強(qiáng)，是理想防滲體。在壩體上游鋪設(shè)土工膜可以防滲，增加穩(wěn)定系數(shù)[4]。近年來(lái)，水利工程防滲技術(shù)科技含量升高，土石壩防滲工程逐漸增多，同時(shí)對(duì)滲流與穩(wěn)定的分析越來(lái)越重視，在工程設(shè)計(jì)、施工及安全使用過(guò)程中對(duì)防滲后壩體的滲流與穩(wěn)定分析已經(jīng)成為評(píng)價(jià)效益的關(guān)鍵內(nèi)容[5]。本文在反調(diào)節(jié)水庫(kù)鋪設(shè)土工膜后，對(duì)大壩滲流與穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行分析，為此類工程提供數(shù)據(jù)參考。

1 水庫(kù)土工膜防滲體處理

1.1 反調(diào)節(jié)蓄水工程概況

試驗(yàn)工程為煤窯溝水庫(kù)，位于伊寧市，其為煤窯溝河及伊犁流域的重要控制性水利工程。水庫(kù)反調(diào)節(jié)需水工程主要功能是彌補(bǔ)排沙期供水不足，對(duì)水庫(kù)供水過(guò)程進(jìn)行反調(diào)節(jié)，滿足工業(yè)、生活用水。水庫(kù)總庫(kù)容量為980萬(wàn)m3，供水設(shè)計(jì)流量為2.2m3/s，攔河壩壩高44.8m，大壩前后邊坡均為1∶1.6，承擔(dān)工業(yè)園區(qū)1460萬(wàn)m3的供水任務(wù)。

1.2 土工膜防滲體

土工膜是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種高分子材料，常用于建筑工程中，例如，壩體上游面斜墻、壩體中心心墻等，具有不透水、重量輕、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)[6]。目前，復(fù)合土工膜在工程上應(yīng)用越來(lái)越多，但其薄膜滲透的理論及方法還沒(méi)有被準(zhǔn)確模擬。本文利用等效滲透系數(shù)法對(duì)工程進(jìn)行分析，將土工膜兩側(cè)水頭差及單位面積流速設(shè)定為恒定值，即可將土工膜等效成一定厚度的土體，通過(guò)達(dá)西定律計(jì)算等效滲透系數(shù)[7]。

(1)

(2)

式中 ΔH——土工膜兩側(cè)水頭差；δ——土工膜厚度；ks——滲透系數(shù)；v——單位面積流速；i——滲透比降。

又因?yàn)橥凉つ蓚?cè)水頭差及單位面積流速不變，則土工膜兩側(cè)水頭差、流速之比均為1，可知：

ks1/ks2=δ1/δ2

(3)

由式(3)可知，該試驗(yàn)建?？捎脻B透系數(shù)為1×10-11cm/s，厚度為0.6mm的復(fù)合土工膜等效實(shí)際應(yīng)用的土工膜。土工膜在工程中僅起到防滲作用，縮短壩體內(nèi)部浸潤(rùn)線，提高壩體安全性，對(duì)大壩強(qiáng)度無(wú)影響。在不考慮土工膜的情況下，僅將滲流分析的結(jié)果引入穩(wěn)定分析。

圖1 土工膜等效大壩斷面計(jì)算示意圖

1.3 水庫(kù)上游壩坡的處理方法

根據(jù)原始?jí)纹聺B透穩(wěn)定不足的情況，對(duì)壩坡進(jìn)行改進(jìn)，在原始?jí)涡偷木|(zhì)壩上鋪設(shè)土工膜防滲體，將其改為非土質(zhì)材料的防滲體壩。具體操作為保持原設(shè)計(jì)體型不變，在大壩上游坡面鋪設(shè)土工膜，按照兩布一膜的結(jié)構(gòu)形式查取滲透系數(shù)，并對(duì)紫外線等外部環(huán)境侵蝕設(shè)置保護(hù)層(在土工膜上鋪30cm厚反濾砂以及20cm厚預(yù)制混凝土面板)，滲流穩(wěn)定分析按此結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。

1.4 計(jì)算斷面

根據(jù)水庫(kù)管理部門提供的土工膜使用規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)及上游壩坡的處理要求(見(jiàn)圖2)，土工膜規(guī)格為0.6mm，土工布上下兩層規(guī)格均為300g/m2，滲透系數(shù)規(guī)格為1×10-11cm/s。

圖2 大壩標(biāo)準(zhǔn)斷面示意圖

2 模型建立及結(jié)果分析

2.1 模型計(jì)算

按照大壩標(biāo)準(zhǔn)斷面，等效復(fù)合土工膜后，利用Multiphysics有限元軟件進(jìn)行二維建模[8]，建立出幾何模型，如圖3所示。根據(jù)幾何模型的特點(diǎn)，利用Multiphysics有限元軟件對(duì)該試驗(yàn)大壩進(jìn)行網(wǎng)格劃分，控制網(wǎng)格并采用映射方法劃分規(guī)則區(qū)域，壩體不規(guī)則區(qū)域采用三角形網(wǎng)格自由劃分，劃分尺度預(yù)定義為標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 有限元模型

2.2 滲流分析

從圖4中可以看出，在鋪設(shè)土工膜后，根據(jù)模型計(jì)算出的正常蓄水穩(wěn)定滲流期和庫(kù)水位降落期的浸潤(rùn)線均較低。正常穩(wěn)定蓄水滲流期的滲透比降最大值為2.23，發(fā)生位置為結(jié)合槽底部，壩體內(nèi)滲透比降最大值為0.22，下游溢出點(diǎn)滲透比降最大值為0.024，顯著低于允許比降值0.53，說(shuō)明正常蓄水位穩(wěn)定滲流期無(wú)滲漏破壞危險(xiǎn)。庫(kù)水位降落期的各時(shí)段上游坡向壩殼外指向的滲透比降最大值均為0，顯著低于允許比降，說(shuō)明庫(kù)水位降落期也不會(huì)發(fā)生滲漏破壞危險(xiǎn)。

2.3 穩(wěn)定分析

圖4 大壩穩(wěn)定期與非穩(wěn)定期滲流計(jì)算浸潤(rùn)線示意圖(單位：m)

利用強(qiáng)度折減法對(duì)正常蓄水位穩(wěn)定滲流期、庫(kù)水位降落期和竣工期進(jìn)行安全系數(shù)計(jì)算分析，Multiphysics有限元軟件在計(jì)算時(shí)一旦遇到最小安全系數(shù)即會(huì)停止計(jì)算，從而得到最小安全系數(shù)和失穩(wěn)滑弧位置。強(qiáng)度折減法[9]是根據(jù)計(jì)算最危險(xiǎn)滑弧確定對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)，上、下游不論誰(shuí)先失穩(wěn)，失穩(wěn)端的安全系數(shù)一定小于穩(wěn)定端，若失穩(wěn)端滿足規(guī)范允許的最小安全系數(shù)，則另一端自動(dòng)滿足。根據(jù)此原理可得出最終穩(wěn)定計(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1 COMSOL Multiphysics有限元軟件穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

經(jīng)滲流分析可知，在壩坡上游鋪設(shè)土工膜能夠使正常蓄水位壩內(nèi)部浸潤(rùn)最高點(diǎn)降至死水位以下，并且?guī)焖德淦趬误w內(nèi)部浸潤(rùn)線相對(duì)于正常蓄水位變化并不明顯，說(shuō)明水位驟降對(duì)壩坡上游穩(wěn)定性影響不明顯。初始?jí)误w的最危險(xiǎn)滑弧出現(xiàn)在下游，而鋪設(shè)土工膜后下坡的抗滑穩(wěn)定性更加穩(wěn)固，表明鋪設(shè)土工膜后的大壩在正常蓄水位和竣工期的最危險(xiǎn)滑弧均在下游，滿足壩體抗滑穩(wěn)定需求。對(duì)于庫(kù)水位降落期，通過(guò)用總應(yīng)力法、有效應(yīng)力法、小值組合法分別進(jìn)行分析，結(jié)果表明三種方法計(jì)算出的最小穩(wěn)定安全系數(shù)均高于最小允許值。以上可以說(shuō)明，壩坡上游在鋪設(shè)土工膜后在三種工況均處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

3 滲流穩(wěn)定分析

3.1 滲流分析

經(jīng)軟件計(jì)算出正常蓄水位穩(wěn)定滲流期、庫(kù)水位降落期非穩(wěn)定滲流浸潤(rùn)線如圖5所示。從圖5中可知，在壩坡上游鋪設(shè)復(fù)合土工膜后，正常蓄水位穩(wěn)定滲流期和庫(kù)水位降落期非穩(wěn)定滲流的浸潤(rùn)線均較低。正常蓄水位穩(wěn)定滲流期的最大滲透比降出現(xiàn)在壩體下游，值為0.07，明顯小于建議允許比降0.53，表明壩體下游不會(huì)發(fā)生滲透破壞。庫(kù)水位降落期的不同時(shí)間段壩坡上游指向壩殼的最大滲透比降均為0，明顯低于允許滲透比降，說(shuō)明降落期不會(huì)發(fā)生滲透破壞。

圖5 正常蓄水位穩(wěn)定滲流期與庫(kù)水位降落期非穩(wěn)定滲流期浸潤(rùn)線示意圖(單位：m)

3.2 穩(wěn)定分析

根據(jù)網(wǎng)格劃分法對(duì)壩體斷面進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格剖分，運(yùn)用理正軟件計(jì)算出滲流場(chǎng)及自由面，通過(guò)AutoBank軟件建立正常蓄水位滲流期和庫(kù)水位降落期的穩(wěn)定計(jì)算模型如圖6所示。

在不同工況條件下，計(jì)算壩坡穩(wěn)定性結(jié)果見(jiàn)表2。從表中可知，壩坡上游在鋪設(shè)土工膜后，壩坡下游在正常蓄水位穩(wěn)定滲流期和竣工期的最小安全系數(shù)均低于上游，并高于規(guī)范要求的最小允許安全系數(shù)，且?guī)焖唤德淦诘淖钚“踩禂?shù)通過(guò)總應(yīng)力法、有效應(yīng)力法、小值組合法計(jì)算的結(jié)果均高于允許最小安全系數(shù)，以上分析說(shuō)明，在三種工況下，大壩安全穩(wěn)定。

圖6 正常蓄水位與庫(kù)水位降落期穩(wěn)定計(jì)算模型(單位：m)

表2 工程軟件穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

水庫(kù)壩體的滲透問(wèn)題關(guān)系到大壩的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)壩坡的滲流與穩(wěn)定分析是工程安全使用的關(guān)鍵。在反調(diào)節(jié)水庫(kù)壩坡上游鋪設(shè)土工膜大壩防滲體后，分析滲流與穩(wěn)定數(shù)值變化，結(jié)果表明：在壩坡上游鋪設(shè)土工膜防滲體，其滲流與穩(wěn)定數(shù)值均在規(guī)范要求范圍內(nèi)。正常蓄水位穩(wěn)定滲流期及庫(kù)水位降落期的最大滲透比降均低于建議允許比降，表明大壩不會(huì)發(fā)生滲漏；在正常蓄水位穩(wěn)定滲流期及庫(kù)水位降落期、竣工期得出的最小穩(wěn)定安全系數(shù)均高于規(guī)范要求，表明大壩安全穩(wěn)定。

[1] 孫秀玲. 基于朱隈水庫(kù)大壩的除險(xiǎn)加固措施研究[J]. 中國(guó)水能及電氣化,2016(8):25-28.

[2] 蔡小麟. 水庫(kù)黏土斜墻壩滲流分析及解決方案[J]. 中國(guó)水能及電氣化,2016(8):67-70+42.

[3] 崔世忠,薛小曼. 復(fù)合土工膜在李家梁水庫(kù)防滲中的應(yīng)用[J]. 水利建設(shè)與管理,2010(7):9-10.

[4] 何川,馬曉立. 新疆奎屯市東郊水庫(kù)壩型比選方案[J]. 水利建設(shè)與管理,2015(10):34-36.

[5] 李錦玉. 淺談復(fù)合土工膜在人工湖防滲工程中的應(yīng)用及施工[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2011(4):73-75.

[6] 束一鳴, 吳海民, 姜曉楨. 中國(guó)水庫(kù)大壩土工膜防滲技術(shù)進(jìn)展[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2016, 38(s1):1-9.

[7] 許玲玲. 大區(qū)域滲流場(chǎng)下地下結(jié)構(gòu)物的簡(jiǎn)化分析方法[D]. 廣州：華南理工大學(xué), 2012.

[8] 張文華. 全庫(kù)盆土工膜防滲水庫(kù)的基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)與探討[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2016(9):98-101.

[9] 劉學(xué)明. 土工膜防滲施工中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2014, 22(6):64-65.

Analysisonstabilityofgeomembraneimpermeableengineeringinre-regulatingreservoir

YI Peng

(XinjiangYiliKashiRiverBasinManagementOffice,Yining835000,China)

The re-regulating reservoir can make up for the shortage of incapable water supply of the reservoir during sand drainage period. It plays an important role for local industry, resident life and economic development. Geomembrane is paved on the upstream area of the earth dam through seepage and stability calculation analysis of geomembrane membrane impermeable engineering in re-regulating reservoir, thereby preventing dam slope leakage instability. Safe operation of the re-regulating reservoir is guaranteed, and functional benefits can be increased. The seepage gradient calculated according to numerical simulation software is smaller than the allowable maximum gradient. The minimum safety coefficient is larger than the minimum allowable value under different working conditions. It is obvious that the dam is in the safe and stable state after the geomembrane is paved on the upstream area of the dam for anti-seepage. The permeability risk is low.

anti-regulating reservoir; geomembrane; seepage control; seepage stability analysis

TV554

：B

：1005-4774(2017)09-0037-05

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.09.010