土石坝防渗加固效果的有限元分析

2016-07-19张水珠

陕西水利 2016年1期

关键词：土石坝有限元分析

张水珠

(福建京源建设工程有限公司　福建　宁化　365400)

土石坝防渗加固效果的有限元分析

张水珠

(福建京源建设工程有限公司福建宁化365400)

摘要运用SEEP/W有限元软件，结合岳城水库具体工程实例，对土石坝防渗加固效果进行了详实分析。结论表明：依据对加固防渗影响大小的不同影响因素进行排序，顺序为防渗墙渗透系数、水位变化、防渗墙墙顶高程、防渗墙埋深；这些因素可归纳为水库本身、基础工程地质环境和防渗墙三类，是实际施工设计应关注的焦点所在。

关键词土石坝；防渗加固；SEEP/W模型；有限元分析

根据相关数据统计显示，在已发生的土石坝事故中，超过四成是由于渗透破坏而造成，因此渗流问题也就成为了保障土石坝安全的关键所在。运用先进的计算机软件，对坝体防渗加固效果进行有限元分析，既可以对具体的实际施工进行有效指导，避免资源的无端浪费，又可缩短施工周期，成为提升施工质量的有效辅助手段。

1　工程概述

1.1水库概况

岳城水库位于河北省邯郸市磁县境内，是当地居民用水主要采集地之一，工程等级为Ⅲ等。水库修建于上世纪八十年代，水库集水面积11km2，库容总量4300万m3，兴利库容约3700万m3，正常蓄水位5.6m。岳成水库底部的平均高程为1.5m，坝顶高程在7.04m。围堤总长度为15.19km，大坝宽度为7m，水库大坝顶部防浪墙高程在8.2m。围坝上下游堤坡比均为1∶3，上游采用浆砌石护坡，下游采用草皮护坡。堤身均为碾压式均质土堤，主要成分为粘土，具备一定压缩性（中等）；堤身各段透水性分布不均匀，堤坝多处呈弱～微透水性，但也有个别区域达中高等透水性。

1.2防渗加固工程概述

岳城水库自建成投入使用以来已二十多年，这一过程中逐渐显现一些质量弊病，对水库的正常运行造成严重的威胁。特别是围堤渗漏问题，不仅下游一级、二级马道与戗台面存在程度不一的积水现象，浸润线溢出点均偏高并发生过多次管涌问题；除此之外，堤基和堤身连接区域的土层渗透系数也出现异常，渗流严重，堤坡甚至存在明流现象。渗流不仅影响到了大坝的安全运行，而且间接造成了下游明渠的损毁，损毁率高达近七成。针对这一情况，工程设计采用防渗墙方式对水库大坝进行防渗加固，防渗墙形式采用高压喷射灌浆的方式形成全封闭的防渗墙结构。其技术原理在于运用高压射流切割地层，并将高压浆液与地层充分混合胶结，改良地层原有的结构与特性。

采用摆喷折线型进行喷浆作业，灌浆材料采用普通水泥粘土和膨润土；设计形成防渗墙厚度为0.3m，偏角与摆角分别为10°、20°，最终形成的灌浆防渗墙防渗系数应低于5.0×10-7cm/s，同时结合施工场地实际情况决定将防渗墙布设在堤顶下游堤肩处，并确保墙体底部嵌入土层内1m以上。

2　防渗加固效果分析

图1　7+000土层分布及防渗墙测压布置示意图

表1　7+000断面土体性质概况表

图2　SWWP/W模型示意图

文章借助有限元软件SEEP/W，以岳城水库围堤防以7+000断面实际工程参数为基础，对围堤防渗加固的不同影响要素的影响性和水库原有设计方案合理性展开分析，下文描述时将防渗墙面向水库一侧成为上游侧，将水库背向水库一侧称为下游侧。7+000断面基本情况如图1所示。

2.1模型构建

SWWP/W模型建立可结合上图1（7+000断面示意图）和下表1（断面土体性质概况）。缩减模型范围上游自库底中心段开始至下游截渗沟，距上游边界80m，距下游边界75m。所建模型宽度为150m，高56m，地面边界高程- 50m。模型单位厚度为1m。所建立模型如图2所示。

2.2防渗墙渗透系数对防渗效果的影响性

为充分辨析渗透系数对防渗墙防渗效果的影响，维持其他条件相同的情况下，设置四组不同的渗透系数：其一，不透水情况渗透系数0；其二，防渗墙设计渗透系数5.0× 10-9cm/s；再者，为验证防渗墙性能设置两组10×10-9cm/s和20×10-9cm/s。其对防渗墙渗透性的影响如图3、图4所示。

图3　不同渗透系数时防渗墙下游侧总水头变化曲线

图4　防渗墙设置后与设置前渗流量比值

通过图3分析可知，伴随防渗墙渗透系数的减小，下游水头总体上呈线性降低；而且整个过程中水头变化幅度较大，这表明渗透系数对于防渗墙防渗效果影响显著，渗透系数越小越有利于防渗。

通过图4可知，布设防渗墙厚，围堤渗流量大幅下降，缩减至防渗墙布设前的1/6 ～1/3，这表明防渗墙起到很好的加固防渗效果。同时，随着防渗墙渗透系数的增加，围堤渗流量呈现出线性增加，这表明防渗墙透水性越低，防渗效果越佳，兼顾施工技术因素与经济成本，墙体渗透系数选择设计值为宜。

2.3防渗墙埋深对防渗效果的影响性

在其他条件不变的前提下，设置三组不同埋深（5m、10m和15m），就埋深对防渗墙防渗效果进行对比分析。其分析结果如图6所示。

图5　不同埋深时渗流量变化曲线

图6　不同水位时防渗墙下游总水头变化曲线

通过对图6的分析可知，伴随防渗墙埋设深度的增加，渗流量变化范围有限，防渗墙下游总水头变化较小，基底渗流不断减少，呈现出明显的线性关系。分析得出，墙体埋深对于基底渗透性并没有较强的相关性，影响较小。这主要是由于防渗墙基底自身渗透系数要明显小于上层土的渗透系数，上层粉砂土为主要渗流通道，因此防渗墙只要埋入下部弱透水层一定深度即可，该设计方案较为合理。

2.4水位变化对防渗效果的影响性

岳城水库是当地主要引水水源，其水位变化极为频繁，围堤浸润线位置及总水头变化也十分活跃，这对于坝体稳定性，特别是坝体渗透性有着显著影响。在此，选取5.5m、5.0m、4.5m、4m四组不同情况进行分析，其分析结果如图6、图7所示。

图7　防渗墙不同位置渗流量对比

由图6分析可得，水库水位变化影响区域主要在水库下游水位，并呈现出明显的相关性。本次数值模拟中设定水库水位的变化幅度在1.5m，而模拟结果显示防渗墙下游侧水位变化幅度非常小，仅仅为0.2m，分析可知堤身与堤基渗流水的水位基本上不受水库水位的影响。

水位的改变对下游侧水位的影响呈现出显著的线性相关，随着水库水位的增加，下游水位亦相应增加。在此次模拟中，水库水位最大变化范围为1.5m，防渗墙下游侧水位变化则仅为0.2m，由此可见围堤堤身及堤基的渗流水水位变化受水库水文影响较小。

由图7可知，水库水位的改变未对水库围堤基础的渗流量造成大的影响。水库水位自4m增长至5.5m的过程中，围堤渗流量虽呈现出线性增加，但其增幅极小，趋于平缓。

综合分析两图可得出，水库上游侧水位变化对围堤渗流和下游水位变化影响程度均较小。主要原因有两点：一是上游侧水库水位的增加会使得其对坝体的水压增加，从而增加坝体内的渗流水势；使得下游侧水头增加，改变坝体渗流路径与土体性质，从而导致渗流速率增加；二是随着水库水位的增加，溢过防渗墙墙顶的渗流量亦会增加。

除此之外，鉴于水库在运行使用时，多数情况下为满库运行，虽水位存在不断变化，但幅度有限，因此水库水位对渗流水的水头及水量的影响都极为有限，在实际使用中可忽略其对防渗加固效果的影响性。

2.5防渗墙顶高程对防渗效果影响

设置4种分析其相关性，选取距顶0m、1.5m、3.5m、5.5m，（防渗墙墙顶到围坝顶部距离）。其结果如图9所示。

图8　不同防渗墙顶高程处水头变化曲线

图9　坝体各部分渗透量与墙顶高程关系曲线

图10　不同墙高时截面各部分渗流量百分比示意图

从上图8分析可知，水头曲线基本形状基本一致，随高程增加，下游侧水头降低，墙顶高程明显改变了周边渗流情况，但这种现象在下游表现并不明显。通过图9和图10可知，防渗墙越低，则绕过墙顶的渗流量越多，其在总渗流量中的比例也越大，但无论防渗墙多低，绕过墙顶的渗流量在总量中的比例均相对有限，上限为20%。防渗墙墙顶高程对防渗效果的影响方面主要表现在周边水头以及渗流量，但对整体的防渗加固效果影响并不突出，对于距离较远的下游侧水头影响很小，无法构成对防渗加固效果的主要影响因素。