危险水力对堤坝稳定性影响

王巍　张学贤

摘 要:危险水力条件是引起堤坝渗流发生破坏的重要因素之一,本文介绍了高水位情况下对堤坝稳定性的影响,并结合实际情况提出防护措施。

关键词:堤坝危险水力渗流

中图分类号:TV5 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)07(c)-0127-01

在溃坝险情中因渗流引起的事故很多,我国约有近万座水库存在渗流隐患。在小型水库中土坝的渗漏问题十分突出,主要表现为下游土坝发生散浸、集中渗漏、冲刷渗漏、管涌等。在进行渗流整体稳定性分析的时候,应充分考虑到作用在坝体上的渗透力,考虑渗流大小和方向对大坝整体稳定性的影响。在进行局部稳定性分析时,应考察因地下水原因产生的渗透坡降。土坝都有特定的土力学特性,如强度指标等,这些是无法改变的,为防止坝坡发生渗流现象,应确定堤坝的危险水力范围,采取措施改变地下水对堤坝的影响,提高工程安全度[1]。

1 堤坝危险水力研究

危险水力存在的情况有:地下水位高的边坡,高水位的背水坡,降雨量比较饱和的坝坡等。如果高水位的下游坡没有采取一定的排水措施,就会出现很高的地下水浸润线,渗流点处渗透力变得与坝坡平行,将会出现由渗流产生的坝体局部破坏;在降雨发生期间因为浸润线上土体基质发生的变化,如吸力消失、内摩擦角减小等,则会发生滑坡破坏。因此,对危险水力条件下的堤坝进行研究,如进行现场模拟试验、有限元法数值模拟、渗流分析、稳定性分析等是非常重要的。

1.1 上游一直处于高水位情况下的堤坝

堤坝上游水位如果长期处于较高的状态,坝体被浸透就可能形成渗流,排水反滤设计若不是很合理,渗流处会发生渗透现象,且下游不透水的均质坝脚更易发生破坏。所以堤坝应该以排渗和反滤为主,注重渗流口的渗透参数的稳定。

美国专家太沙基是最早提出设计反滤层防止堤坝的破坏,随后进行的试验验证了其设计的准确性,并对其进行了补充和完善,之后学者经过不断的实践设计出新的反滤层。

1.2 边坡处于高地下水位的状况

水是引起水利事故的关键因素之一,河道的水位变化会引发边坡附近地下水位的变化、渗流引发岩土体重度与抗剪度的改变、大水会对堤岸边坡脚产生侵蚀等。高水位时堤岸在水中浸泡达到饱和,岩土体含水重量急剧增大,故抗剪强度大大减低,导致当水位发生骤降时土体没有了原来水体提供的顶托力,再次出现高水位时就容易发生堤岸滑脱坍塌[2]。

考察国内江堤后认为大部分的堤坝建筑都忽略了地下水流的危害,而实际上高地下水位对堤坝的危害与洪水是相当的,都需要改造进行流向疏导,避免破坏岸坡。

1.3 水位降落期非稳定性分析

水位下降时,坝体内地下水会有向下的分速度,在同一垂直断面上,在上部的孔隙水压力一般大于下部的,尤其是水位骤降情况下,水压力产生的阻滑力减小,但坝体存在较大的水平向和垂直向渗透力,堤坝的稳定性就会变差。水位降落速度越小,浸润线最高点与渗出点间水平向渗透坡降就会越小,水平向渗透力越小,从而上游坡渗流局部和整体稳定性就越好[1]。

1.4 常用研究方法

安全监测技术是确保大坝正常运行的重要手段,可预防事故的发生,为进行评价工程运行是否安全提供有效的依据。常用的监测方法有高密度电阻率法、面波勘探、电磁法等,通过探测对堤坝地质加以分析,可以确定各种不利的影响因子,对大坝安全性状做出综合分析,进行风险评估,具有非常重大的意义。

常用的渗流分析方法有理论分析法、试验分析法和资料观测分析法等,根据渗流水力梯度、渗透流速、水头等特点,渗流分为稳定和非稳定渗流。当渗流参数随时间而发生变化时,就是非稳定渗流,自然环境中各种因素的影响,地下水位是不断变化的,所以多数情况下存在的都是非稳定渗流。但是在实际考量过程中,我们习惯将地下水位变化不大的非稳定渗流近似看作稳定渗流来计算。

渗流计算是通过求解渗流基本方程,计算出渗流量和水头等参数。但是因为存在浸润线,加上浸润线随水位变化而变化,故渗流场具有非均匀性。各种复杂的条件给方程求解带来许多的困难,在实际工程中需要借助于模拟软件试验。随计算机技术的发展和数值计算的进步,推动了渗流数学模型的发展,现在的有限元计算方法能够很好地解决非均质性、条件复杂的问题[3-4]。

2 高水位大坝渗流防护措施

河道长期处于较高水位运行状态时,堤坝则会完全地浸透并形成稳定的渗流。如果下游排水设施失效、上游没有铺盖粘土层、下游坡较陡等措施,加上坝体内存在蚁穴蛇鼠洞等暗涌通道时,地下水就会在下游坡面或坡脚处集中渗漏,就会出现散浸危险情况,严重就会发生管涌直接破坏滑坡。目前处理这种事故的方法:上游坡铺盖粘土层、下游坡坡面及坡脚处设计疏导渗流的沟槽、下游坡铺设反滤层等[5]。

当水库地下水位高于河道水位时,地下水就容易在岸坡上产生渗流,若堤身材料不能有效阻止出渗时,就会造成险情。可在岸坡上设计排水减压井,抽出减压井内渗水,就能有效改变地下水流向,地下水不能在岸坡上出渗。

当堤坝处于危险水力情况下时,应采取以排渗为主,防渗与排水相结合的措施,加设反滤层为坚强后盾。再结合块石压脚、减压井降低浸润线等工程措施,最终可达到降低堤坝浸润线高度、减小渗流对岸坡冲击的影响、疏导地下水流向、防止渗流最开始在渗出点产生破坏。

3 堤坝渗流稳定模拟分析

堤坝渗流稳定模拟分析可以应用软件进行计算,结合各种危险水力和试验条件,就能够知道危险水力条件对堤坝渗流和边坡稳定的影响程度。应用软件可以分析比较不同材料、不同降落速度对渗流与稳定性的影响,然后我们就可以确定水位下降时非稳定渗流计算指标参数,随后可以比较堤身材料在非稳定渗流的情况下抗滑稳定安全系数与库水位之间的关系,进而讨论不同坝体型式对渗流和稳定性的影响,最后总结出不同条件下水位与坡面渗出点高度之间的关系,得到关于危险水力对堤坝渗流和稳定的资料。

有文献[5]经过渗流软件的模拟得出结论,堤坝的排水设施条件越好、水位降落速度越慢,渗流局部稳定性就会越好,渗流场特性越好,抗滑稳定性越好。

4 结语

堤坝渗流是影响其稳定性的最重要因素之一,对危险水力条件下堤坝进行深入研究是非常有价值的,对防止水利事故的发生是至关重要的。

参考文献

[1] 张大伟,曾红鹰,段祥宝.危险水力条件对堤坝稳定性影响的模拟[J].水运工程,2010,9:22-26.

[2] 郑颖人.库水作用下边坡稳定性分析[J].岩土工程学报,2007,29(8):1115-1121.

[3] 赵瑜.堤坝防渗加固的控制理论与应用研究[D].天津大学,2008.

[4] 刘小生,吴祥松,袁海平.面向对象有限元方法在大坝渗流计算中的应用[J].有色金属(矿山部分),2003,55(2):11-14.

[5] 张大伟.危险水力条件对堤坝稳定影响模拟研究[M].扬州大学,2009.