劉 陽，侍克斌，胡洪浩

(新疆農(nóng)業(yè)大學 水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

截至2007年底，我國已建成各類水庫87 085座，其中大型水庫510座，中小型水庫86 575座，而大多數(shù)建于20世紀50-70年代[1]，目前這些水庫中有4.7×104座以上為病險水庫[2]。此類水庫的壩體及壩基滲漏問題往往都較為嚴重，對社會和經(jīng)濟環(huán)境的影響較大，威脅著社會穩(wěn)定和經(jīng)濟發(fā)展[3-5]。壩體及壩基滲漏嚴重影響大壩的安全穩(wěn)定運行，如何有效地對病險水庫進行除險加固值得深入研究。

目前，針對各類不同險情的病險水庫，相關學者開展了大量研究，針對不同病因的水庫，提出相應的除險加固方案。如楊天光等采用純黏土漿液加壓充填灌漿技術，對四川省綿陽市涪江支流芙蓉溪支溝上的沉抗水庫壩體及壩基進行除險加固，加固處理后，該水庫正常運行[6]。婁康裕等采用黏土充填灌漿技，對大鵬街道水頭村境內的長坑水庫壩體進行除險加固處理[7]。周傳遠等采用粉質黏土灌漿技術，對枝江市百里洲鎮(zhèn)閘口村百里洲泵站地基進行防滲加固處理，使泵站得以安全運行[8]。彭琦等采用防滲墻與帷幕灌漿結合的方法，針對天河口水庫的大壩壩體、壩基和壩肩的滲漏問題進行防滲加固處理，加固后，侵潤線明顯降低，滲漏量明顯減少[9]。譚德遠采用劈裂灌漿技術分別對大湴列水庫、獨田水庫、大金山水庫、共青湖大壩進行除險加固處理，對比加固前后大壩的滲漏量，并進行滲透穩(wěn)定分析[10]。廖井霞等針對鄂爾多斯市某灰渣庫進行除險加固分析，建立三維滲流場計算模型，模擬結果論證了除險加固方案(下游坡腳采取排水棱體方案，對下游壩坡進行壓重處理)的合理性[11]。嚴祖文等針對目前病險水庫進行調查，總結出目前病險水庫的數(shù)量、水庫類型、存在的主要問題及解決措施[12]。大量研究表明，對病險水庫進行除險加固，采用帷幕灌漿加固壩基，充填灌漿被應用于壩體的加固。但土石壩除險加固所面臨的關鍵科學問題是如何減小滲流量、抑制壩體及壩基滲透坡降、穩(wěn)固土石壩上下游邊坡。帷幕灌漿及充填灌漿技術在控制滲流量、抑制滲透坡降、穩(wěn)固上下游邊坡方面的效果尚未形成統(tǒng)一的定論，仍需做進一步的研究。

因此，本文針對第四系沖洪積粉質黏土上的病險水庫進行除險加固，研究兩種灌漿技術(粉質黏土充填灌漿、混凝土帷幕灌漿)在控制滲流量Q、抑制滲透坡降J、穩(wěn)固上下游邊坡方面的效果；并采用兩種有限元軟件對比分析加固后土石壩的滲流及壩坡穩(wěn)定特性，為類似病險水庫的除險加固提供理論支持和技術支撐。

1 滲流有限元理論

1.1 連續(xù)性控制微分方程

針對可壓縮土體的滲流，可通過質量守恒原理加以引證，滲流場中水在某一單元體內的增減流速等于進出該單元體流速之差，即為水的連續(xù)性控制微分方程。

div([k]{gradφ})=0

(1)

1.2 微分方程的邊界條件

微分方程的邊界條件，可分為流場幾何形狀的位置邊界、起支撐作用的邊界條件。從描述流動的數(shù)學模型看，邊界條件可分為以下4類。

1) 第一類邊界條件為水頭邊界條件：

h|Γ1=f(x,y,z,t)

2) 第二類邊界條件為流量邊界條件：

{n}T[k]{gradφ}=0

式中：{n}=[nxnynz]T為邊界的外法線單位向量。針對不同滲透系數(shù)的均質土單一流場，得到的流網(wǎng)都是相同的，但對于不同土層分布的滲流場來說，就得考慮各土層的滲透系數(shù)。

3) 第三類邊界條件為混合邊界條件，是指交換的流量、含水層邊界的內外水頭差之間保持一定的線性關系：

式中：h為邊界水頭；α、β都是此類邊界各點的已知數(shù)。

4) 第四類邊界條件為不透水邊界：

1.3 滲流有限元變分原理

有限元方法的理論是變分原理，即求泛函數(shù)積分后的函數(shù)值，把微分方程及其邊界條件轉變?yōu)闃O值問題。在已知水頭邊界條件下，對微分方程進行變分。

(2)

通過求解方程的極值，可得到相應的滲流水頭h；通過有限元變分計算，可得到滲流相應參數(shù)。

1.4 壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算方法

在非飽和土滲流分析的基礎上，進一步研究壩坡的穩(wěn)定性，將計算得到的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)k′與最小抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)kmin進行比較，分析壩坡的穩(wěn)定狀態(tài)。壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)k′為：

(3)

式中：li為土體滑弧穿過第i單元的長度，m；φi為第i單元土體的內摩擦角；ci為第i單元土體的凝聚力，kPa；τi第i單元圓弧滑面上的切向應力，kPa；σni為第i單元圓弧滑面上的法相應力，kPa，其計算方程如下：

(4)

(5)

式中：σix為水平應力，kPa；x為經(jīng)驗系數(shù)；σiy為豎向應力，kPa；τixy為單元剪應力，kPa；α為滑動面切線與水平向的夾角。

2 土石壩除險加固的滲流有限元數(shù)值模擬

2.1 模型建立

采用有限元軟件對灌漿加固后的煙莊水庫進行數(shù)值模擬計算，根據(jù)水庫的水文、地質資料(工程概況)建立數(shù)值分析模型，具體工程概況如下。

2.1.1 工程概況

煙莊水庫位于桐柏縣平氏鎮(zhèn)康莊村唐白河流域三夾河支流上。水庫的壩基面的高程為122 m，校核洪水位為130.9 m，相應庫容為81.5×104m3；設計洪水位為128.5 m，相應庫容為50.84×104m3；興利水位為126 m，興利庫容為24.5×104m3；死水位為122.85 m，死庫容為1×104m3。土石壩壩高9.4 m，壩前水頭分別為8.9、6.5、4和0.85 m，壩頂寬4 m，上游壩坡采用1∶ 3，下游壩坡采用1∶ 2.2。

該水庫經(jīng)過40多年的運行，存在許多安全隱患；一旦潰壩，將給下游水利基礎設施和沿流域居住的人民群眾帶來嚴重災害。經(jīng)鑒定，煙莊水庫病險嚴重，急需進行除險加固。水庫主要存在以下問題：大壩為粉質黏土均質土壩，壩體填筑質量差，壩坡凹陷、局部塌陷；迎水坡局部坡面淘刷嚴重；輸水洞進口爬坡漏剝蝕、裂縫，漏水；壩體位于第四系粉質黏土上，壩基回填質量差，滲水呈明流，壩下大面積沼澤化；兩壩肩均存在壩肩滲漏問題。

綜上所述，煙莊水庫壩體及壩基滲漏破壞嚴重；經(jīng)相關部門鑒定，該水庫急需進行防滲除險加固。本文采用粉質黏土充填灌漿、帷幕灌漿技術對土石壩的壩體及壩基進行防滲加固處理。具體方案如下：采用帷幕灌漿技術對土石壩的壩基進行處理，沿壩基面將混凝土防滲帷幕墻向下深入壩基1 m，向上深入壩體1 m，以便截斷接觸滲漏，減小壩基及壩基接觸面滲流量。采用粉質黏土充填灌漿對壩體進行防滲處理，在帷幕灌漿的基礎上繼續(xù)進行深8 m的粉質黏土充填灌漿。灌漿加固土石壩的模型斷面見圖1。對研究模型進行網(wǎng)格劃分，得到滲流計算網(wǎng)格，見圖2。

2.1.2 基本參數(shù)

壩體、壩基、粉質黏土充填灌漿墻和混凝土帷幕墻的設計干密度、滲透系數(shù)、允許滲透系數(shù)見表1。

圖1 模型斷面圖Fig.1 Sectional drawing of model

圖2 模型網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh generation of model

表1 大壩基本參數(shù)Tab.1 The basic parameters of the dam

2.2 滲流數(shù)值模擬

采用有限元軟件模計算加固后的土石壩。本模擬試驗分別取壩前水頭為校核洪水位(h=8.9 m)、設計洪水位(h=6.5 m)、興利水位(h=4 m)、死水位(h=0.85 m)共計4種工況，分別計算4種工況下的大壩滲流量Q、防滲墻底部滲透坡降J1、壩基出逸坡降J2。如壩前水頭h=8.9、4 m時，作滲流流網(wǎng)，見圖3-圖6。

圖3 8.9 m水頭大壩滲流流網(wǎng)(Seep/w)Fig.3 Seepage flow net of dam when water head equals to 8.9 meters

圖4 8.9 m水頭大壩滲流流網(wǎng)Fig.4 Seepage flow net of dam when water head equals to 8.9 meters

圖5 4 m水頭大壩滲流流網(wǎng)(Seep/w)Fig.5 Seepage flow net of dam when water head equals to 4 meters

圖6 4 m水頭大壩滲流流網(wǎng)Fig.6 Seepage flow net of dam when water head equals to 4 meters

3 結果與分析

3.1 數(shù)值模擬結果

分別采用兩種有限元軟件模擬計算4種工況下大壩滲流量Q、防滲墻底部坡降J1、出逸坡降J2，計算結果見表2。

表2 大壩滲流計算成果表Tab.2 The table of dam seepage calculation results

3.2 模擬結果分析

帷幕灌漿形成的混凝土防滲墻底部未嵌入基巖或穿過相對不透水層，為懸掛式防滲墻。將每種工況下的滲流量Q、壩基出逸坡降J2、防滲墻底部滲透坡降J1，與其允許值進行比較，探討采用該方案(采用帷幕灌漿加固地基、粉質黏土充填灌漿壩體)處理后的土石壩是否滿足正常蓄水及滲透穩(wěn)定要求。

采用混凝土帷幕灌漿及粉質黏土充填灌漿后，壩前水頭越大，土石壩滲流量越大；當為校核洪水位時，土石壩滲流量為6.52×10-5m3·s-1，對應校核洪水位的庫容為81.5×104m3，滲流量極小，可忽略不計，滿足正常蓄水要求。

為了更直觀地將4種工況下壩基出逸坡降J2、防滲墻底部滲透坡降J1與允許值[J]進行比較，結合表2計算結果，繪制J2、J1在各種工況下的數(shù)值，見圖7。

灌漿加固后的土石壩工程，防滲墻深度、壩體及壩基滲透系數(shù)都為恒定值，壩前水頭h成為影響滲透穩(wěn)定的最主要因素。隨著壩前水頭h的增加，防滲墻底部的滲透坡降J1、出逸坡降J2隨之增加。

圖7 4種工況下的滲透坡降值J2、J1Fig.7 J2、J1 under four conditions

根據(jù)土體的極限平衡條件，可得到產(chǎn)生滲透破壞的允許滲透坡降為：

(6)

式中:[J]為允許滲透坡降；G為土料比重；e為土體的孔隙比；k為安全系數(shù)，對于黏性土k=1.5，對于非黏性土k=2～2.5。

煙莊水庫壩體土的孔隙比為0.682，土料比重為2.285；壩基土的孔隙比為0.666，土料比重為2.3；壩體及壩基都為黏性土，k取1.5。計算得，壩體、壩基的允許滲透坡降分別為0.51和0.52。

當水庫處于校核洪水位時，壩前水頭達到最大值(8.9 m)，防滲墻底部滲透坡降達到最大值，分別為0.42(Seep/w)和0.43，小于壩基的允許滲透坡降[J]=0.52；出逸坡降達到最大值，兩種軟件計算的出逸坡降值皆為0.23，小于壩體的允許滲透坡降[J]=0.51，滿足土石壩滲透穩(wěn)定的要求。

4 加固后土石壩壩坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)碾壓式土石壩設計規(guī)范，并結合水庫的運用情況，穩(wěn)定分析所取的工況為以下兩種：工況I：正常工況，正常蓄水位時形成穩(wěn)定滲流期下游壩坡穩(wěn)定；工況II：非常工況，庫水位降落期的上游壩坡穩(wěn)定。壩體最大斷面在工況I和工況II的最不利滑動圓弧面見圖8-圖9。

采用帷幕灌漿加固壩基、粉質黏土充填灌漿加固壩體后，壩體的抗滑穩(wěn)定計算結果見表3。

圖8 下游興利水位穩(wěn)定滲流時的最不利滑動面Fig.8 The most disadvantageous slide surface of downstream constant water level steady seepage flow

圖9 斷面上游庫水位降落時的最不利滑動面Fig.9 The most disadvantageous slide surface of upstream water level drop

表3 壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)表Tab.3 The table of slopesafety factor of stability against sliding

分析表3的計算結果，除險加固后壩體上下游坡在正常、非常工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.684和1.586，均大于允許安全系數(shù)(1.15、1.05)。由此可得，土石壩在各種運行工況下，土石壩的上下游壩坡均滿足抗滑穩(wěn)定要求。

5 結 語

對于第四系粉質黏土上的土石壩滲漏問題，采用帷幕灌漿和粉質黏土充填灌漿加固后，土石壩最大滲流量為6.52×10-5m3·s-1，對應庫容為81.5×104m3，滲流量可忽略不計；土石壩壩基最大滲透坡降為0.43，小于壩基允許滲透坡降[J]=0.52，土石壩壩體最大滲透坡降為0.23，小于壩體允許滲透坡降[J]=0.51；除險加固后壩體壩體上下游抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.684和1.586，均大于允許安全系數(shù)(1.15、1.05)；滿足正常蓄水、滲透穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定要求。