孫鵬明， 葉 宏，于建忠，王 飛，汪 科

(1.江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215128；2. 河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098) ；3.泰州市姜堰區(qū)梁徐街道水利管理服務站，江蘇 泰州 225526；4.江蘇恪同工程咨詢有限公司，江蘇 徐州 221000)

土石壩主要由壩址附近的土石料填筑壓實而成，而土石料為散粒體結(jié)構(gòu)，壓實后其顆粒間仍存在著大量的孔隙，具有一定的透水性。為及時排出壩體內(nèi)土石料顆粒間的孔隙水，降低壩體浸潤線，防止發(fā)生滲透破壞和壩坡失穩(wěn)滑動，需設(shè)置壩體排水[1- 4]。常見的壩體排水形式主要有棱體排水、豎式排水、水平排水、貼坡式排水和綜合式排水等[5]。為精確分析不同排水方式間的差異，本文選取某均質(zhì)土壩典型斷面，采用有限元仿真計算分析方法，對棱體排水、豎式排水和貼坡式排水三種情況下的壩體二維滲流和壩坡穩(wěn)定計算進行分析，提出不同情況下的優(yōu)選方案，為土石壩排水設(shè)計比選提供參考。

1 土石壩常見排水體特點

土石壩常見的壩體排水方式有以下幾種，其各有特點[1- 4]。

棱體排水，又稱濾水壩址，是在下游坡腳緊貼壩坡用塊石堆筑而成的排水設(shè)施。可降低壩體浸潤線，防止壩坡凍脹破壞和滲透變形、保護壩腳免受尾水淘刷，且對壩坡有一定支撐作用。但石料用量較大，費用相對較高，排水體與壩體的施工存在一定干擾。

豎式排水，又稱上昂式排水或煙囪式排水，一般位于壩體中央或偏下游處，常與鋪設(shè)在壩底的水平排水設(shè)施結(jié)合形成壩體排水系統(tǒng)。該排水能有效地降低壩體浸潤線，一般用料較排水棱體經(jīng)濟。對于大部分為粘性土或下游部位土料的不均勻性為水平成層時，更能有效地降低壩體浸潤線，并可在施工期間加速壩體土料固結(jié)。但排水體施工相對復雜，檢查、維修不便。

褥墊排水，從下游壩趾開始，成片連續(xù)沿壩體與壩基接觸面水平伸入壩體的一種平鋪式排水。這種排水型式利于壩基排水，能顯著降低壩體浸潤線。但對壩基的不均勻沉降適應性較差，排水層易斷裂，檢查、維修困難。一般適用于下游水位很低且需要大幅降低浸潤線的情況。

貼坡排水一般設(shè)置在下游壩坡表面，具有構(gòu)造簡單、材料省、造價低、維修易的優(yōu)點。但不能降低浸潤線，且易受冰凍而失效。常用于壩體設(shè)有防滲墻或中小型工程下游無水的均質(zhì)壩或浸潤線較低的中等高度壩。

綜合排水，為充分發(fā)揮各種型式排水的優(yōu)點，根據(jù)工程特點將貼坡排水、褥墊排水、棱體排水、豎向排水中的兩種或多種組合而成的排水設(shè)施。

2 土石壩滲流和穩(wěn)定性分析理論及方法

2.1 土石壩二維滲流基本方程

土石壩滲流計算是在已知定解條件下求解滲流基本方程，以求得滲流場內(nèi)的浸潤線、滲流量、水力坡降等水力要素，以供在土石壩設(shè)計以及運行管理中有效地控制滲流[6- 8]。

不可壓縮流體在剛性介質(zhì)中的二維穩(wěn)定滲流基本方程為：

(1)

式中，h—水頭函數(shù)；kx、ky—x、y方向的滲透系數(shù)。

當考慮土和水的壓縮性時，土石壩二維非穩(wěn)定滲流基本方程為：

(2)

式中，Ss—貯水率。

上述微分方程的定解條件為：

初始條件

h|t=0=h0(x，y，t)

(3)

邊界條件

水頭邊界：

h|Γ1=f1(x，y，t)

(4)

流量邊界：

(5)

式中，h0(x，y，t)—土石壩二維域內(nèi)各點水頭值；Γ1、Γ2—已知水頭值和流量值的邊界曲面；kn—曲面Γ2的法向滲透系數(shù)；f1(x，y，t)—邊界Γ1上的已知水頭值；f2(x，y，t)—邊界Γ2上的已知流量值。

2.2 土石壩邊坡穩(wěn)定分析方法

DL/T5395—2007《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》[5]指出，壩坡抗滑穩(wěn)定計算應采用剛體極限平衡法，其方法是將邊坡土體劃分為若干小的土條，根據(jù)每個土條的平衡條件推導整個邊坡的穩(wěn)定性。根據(jù)不同的使用條件，主要有瑞典條分法、簡化Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法等。其中，簡化Bishop法考慮了土條間水平力的作用，建立了土條豎向力平衡和整體力矩平衡，計算結(jié)果能夠滿足工程計算精度要求[9- 11]。因此，選擇簡化Bishop法作為土石壩邊坡穩(wěn)定計算方法。

簡化Bishop法基本公式為：

(6)

(7)

3 實例分析

3.1 工程概況

某均質(zhì)土壩為Ⅲ等3級建筑物，壩頂高程為1068.5m，壩頂寬8.0m，壩基置于弱風化巖體上，壩基建基面高程為1029.0m，右岸側(cè)抬高至1035.0m，最大壩高為39.5m，總長度為515.0m。壩體上游壩坡自上而下坡比分別為1∶3.0、1∶3.5，下游壩坡自上而下坡比分別為1∶2.75、1∶3.0。上、下游壩坡在高程1059.0m處分別設(shè)一級寬2.0m和3.0m的馬道。

為對比分析棱體排水、豎式排水和貼坡排水三種方案下壩體滲流特性和壩坡穩(wěn)定，在工程基礎(chǔ)上分別設(shè)置三種排水設(shè)施，其中，棱體排水設(shè)置于下游壩坡坡腳處，排水體頂高程為1045.0m，頂部寬度為3.5m，上下游坡比分別為1∶1和1∶2；豎式排水設(shè)置于下游壩坡坡頂處，寬度為1.0m，底部設(shè)0.8m厚水平排水將滲水排至下游；貼坡排水沿下游壩坡設(shè)置，頂部高程為1045.0m。

3.2 有限元分析模型

由于大壩壩基全部清除基巖強風化層及河床覆蓋層，將壩基置于相對較完整的弱風化巖體上部，壩基巖體呈水平層狀結(jié)構(gòu)。因此，均質(zhì)土壩的滲流計算和穩(wěn)定分析選取最大剖面即標準斷面作為計算的典型剖面。

根據(jù)三種不同的排水方案，分別建立了對應的二維有限元模型，如圖1所示，圖中坐標為自定義坐標系，其中X軸自上游指向下游，Y軸沿高程方向。在本次計算分析中，模型上、下游長度取約2倍的壩高；基礎(chǔ)深度范圍從建基面向下取1倍壩高。模型包括了可能影響計算域滲流場的主要邊界范圍，模擬了均質(zhì)土壩段壩體、壩基、排水和帷幕等。模型邊界條件設(shè)置如下：基礎(chǔ)底部和模型上下游邊界視為不透水邊界；水位面以下的河床均視為已知水頭邊界；位于河床以上地表，均按可能逸出面處理，但實際逸出面通過計算分析，經(jīng)迭代確定。

表1 模型材料分區(qū)參數(shù)統(tǒng)計表

棱體排水、豎式排水、貼坡排水對應模型離散后的有限元計算網(wǎng)格分別有節(jié)點6250、6296、6234個，單元分別有6073、6114、6050個。

圖1 均質(zhì)土壩二維有限元網(wǎng)格圖

3.3 模型參數(shù)及計算工況

壩體、壩基以及各分區(qū)材料參數(shù)見表1。

結(jié)合水庫特征水位和運行情況，同時考慮水庫運行中可能出現(xiàn)的最不利水位組合情況，選取以下3種水位組合。

工況1：上游設(shè)計洪水位1065.0m，下游設(shè)計洪水位1042.8m。

工況2：上游校核洪水位1066.3m，下游校核洪水位1043.55m。

工況3：上游設(shè)計洪水位1065.0m降至死水位1059.0m，下游設(shè)計洪水位1042.8m；上游水位下降過程見表2，滲流分析采用歷時30d，使得浸潤線下降完成。

表2 庫水位下降過程表

3.4 滲流計算結(jié)果及分析

3.4.1滲流場計算結(jié)果及分析

工況1、2下浸潤線與等勢線分布圖如圖2—3所示，水位下降過程中浸潤線變化過程如圖4所示。

由圖3—4可以看出，各工況下壩體浸潤線分布符合一般均質(zhì)土壩規(guī)律，其中，棱體排水和豎式排水方案下，斷面下游浸潤線基本水平，表明兩種排水方案對壩體浸潤線跌落的作用明顯，起到了較好地排滲效果。

對比同一工況中不同排水方式的浸潤線和等勢線分布情況可知，豎式排水對降低壩體浸潤線效果更明顯，相應的等勢線分布更為密集，表明豎式排水方案下壩體滲流流速相對較大，對壩體的滲透穩(wěn)定不利；棱體排水和貼坡排水的等勢線較稀疏，這兩種方案下的滲流流速相對緩慢，更有利于壩體滲透穩(wěn)定。

圖2 正常水位下等勢線分布圖

圖4 水位下降過程中浸潤線變化圖

3.4.2滲流量計算結(jié)果及分析

選取帷幕中線所在截面為計算截面，計算三種排水方式在不同工況下的滲流量，計算結(jié)果見表3。由表3可知，豎式排水的滲流量最大，排水效果最佳，棱體排水效果次之，貼坡排水效果相對較差。

表3 截面流量統(tǒng)計表 單位：m3/(d·m-1)

注：工況3的截面流量為水位下降過程中最大截面滲流量。

3.4.3滲透坡降計算結(jié)果及分析

三個排水方案在校核水位下的滲透坡降分布云圖如圖5所示，其余工況下滲透坡降分布情況類似。

由圖5可以看出，三個排水方案下，滲透坡降最大值均位于混凝土帷幕處，其中，豎式排水的最大滲透坡降在1.0左右，棱體排水和貼坡排水的最大滲透坡降為0.7左右，表明帷幕的截滲效果明顯；豎式排水的上游壩體滲透坡降相對較大，數(shù)值在0.3～0.7之間，這是由于豎式排水方案的滲流量相對較大引起的；棱體排水和貼坡排水方案下壩體內(nèi)部滲透坡降相對較小，數(shù)值在0.2～0.4之間，均小于允許滲透坡降，不會發(fā)生管涌流土等滲透破壞。但是，在豎式排水方案中，豎直排水體附近的滲透坡降較大，這將對排水體的反濾措施提出較高要求。

圖5 校核水位下滲透坡降分布云圖

3.5 壩坡穩(wěn)定性計算結(jié)果及分析

水位下降過程中最小安全系數(shù)過程線如圖6所示；水位下降過程中上游壩坡最小安全系數(shù)壩坡滑動面如圖7所示；壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)表見表3—4。

由圖6可以看出，水位下降前期，上游壩坡最小安全系數(shù)隨水位下降而急劇減小，水位下降至低水位后，隨著滲流場的穩(wěn)定，上游壩坡最小安全系數(shù)緩慢增大。

由表4可知，豎式排水的上游和下游壩坡穩(wěn)定性最好，棱體排水次之，貼坡排水穩(wěn)定性較差，但均滿足規(guī)范要求。

圖6 水位下降過程中上游壩坡最小安全系數(shù)過程線

圖7 水位下降過程中上游壩坡最小安全系數(shù)壩坡滑動面

表4 壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)表

注：工況3的安全系數(shù)為水位下降過程中的最小安全系數(shù)。

3.6 排水方案的進一步分析

前文對于棱體排水、豎式排水和貼坡排水三種排水方案的滲流和壩坡穩(wěn)定計算成果表明：豎式排水和棱體排水均能起到較好的降低壩體浸潤線的效果，壩坡的穩(wěn)定安全也有保證。但考慮到豎式排水體施工難度大，施工質(zhì)量不易保證，運行期一旦排水體失效，易造成壩體內(nèi)部缺陷，且檢修、維護非常困難。因此，通過對豎式排水的參數(shù)敏感性分析，來確定豎式排水基本有效或部分有效對本工程滲流和壩坡穩(wěn)定的影響。

3.6.1參數(shù)設(shè)置

通過提高豎式排水體的滲透系數(shù)來考慮豎式排水的失效對本工程滲流和壩坡穩(wěn)定的影響，工況設(shè)置如下：

工況I：豎式排水完全有效，排水區(qū)滲透系數(shù)取k=6×10-1cm/s。

工況Ⅱ：豎式排水基本有效，排水區(qū)滲透系數(shù)取k=6×10-3cm/s。

工況Ⅲ：豎式排水部分有效，排水區(qū)滲透系數(shù)取k=6×10-4cm/s。

工況Ⅳ：豎式排水完全失效，排水區(qū)滲透系數(shù)取k=1.94×10-5cm/s。

3.6.2成果分析

分別對典型斷面工況I- IV進行二維滲流與穩(wěn)定性分析，各工況下壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)見表5，工況Ⅱ下的浸潤線與最危險滑動面如圖8所示。

表5 壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)表

注：括號內(nèi)數(shù)值為與豎式排水完全有效相比，不同失效程度對應壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)降低幅度。

圖8 工況II滲流與壩坡穩(wěn)定計算成果

由表5和圖8可以看出，隨著豎式排水區(qū)滲透系數(shù)的減小，各工況上下游壩坡的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸降低；當豎式排水基本有效時，下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均已小于棱體排水方案；當豎式排水部分有效時，除校核洪水工況下的上游壩坡以外，各抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均低于棱體排水方案。經(jīng)綜合考慮[2- 4，12- 14]，從結(jié)構(gòu)長期可靠性和確保施工進度的角度，本工程選用了棱體排水方案。

4 結(jié)語

土石壩壩體滲流穩(wěn)定主要與壩體材料透水性、顆粒組成及排水方式有關(guān)，壩坡穩(wěn)定主要與浸潤線及壩體材料抗剪強度有關(guān)。本文從土石壩滲流和壩坡穩(wěn)定等方面對棱體排水、豎式排水、貼坡排水三種常見壩體排水方式進行了分析與比較。三種方案各有利弊，實際工程可以借鑒此計算結(jié)果，根據(jù)不同情況，選用相應的排水方式，以保證工程安全、經(jīng)濟、可靠。通過計算對比可得出如下結(jié)論：

(1)棱體排水和豎式排水均可有效降低壩體浸潤線，尤以豎式排水更優(yōu)。棱體排水和貼坡排水壩體流場的等勢線分布較稀疏，滲透坡降相較豎式排水小，對壩體滲透穩(wěn)定有利，并且對排水體的反濾措施要求相對較低。豎式排水的上、下游壩坡抗滑穩(wěn)定性最好，棱體排水次之，貼坡排水方案下的上、下游壩坡穩(wěn)定性相對較差。

(2)豎式排水的壩體浸潤線高度和上、下游壩坡穩(wěn)定性對排水體滲透系數(shù)變化較敏感。若出現(xiàn)排水體基本有效或部分有效情況，將引起壩體浸潤線較大抬升，下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)降低明顯。

(3)規(guī)范推薦“均質(zhì)壩和下游壩殼用弱透水材料填筑的土石壩，優(yōu)先選用豎式排水”[5]，但由于其對施工質(zhì)量要求較高，運行管理中須配套做好監(jiān)測以保證排水體有效[15- 16]，常常限制了其應用。因此，豎式排水施工期的質(zhì)量控制及運行期監(jiān)測方面的研究也將是今后的探索方向。隨著研究的深入及新技術(shù)的進步，豎式排水設(shè)計將更加完善，排水體施工將更方便、質(zhì)量更易保證[17- 19]。