不同水位时防渗墙缺陷对土石坝稳定性影响分析

段 芳

(湖北省漳河土木工程设计院，湖北 荆门 448000)

对于岩土体材料，水是影响其抗剪性质最主要的因素，土石坝在长期的水位变化过程中，坝体内部发生渗流作用，影响着土石坝材料特性，进而对土石坝的稳定性造成影响[1- 3]。

对于覆盖层较厚的坝体，采用混凝土防渗墙作为防渗体是一种经济有效的处理方式[4- 5]。防渗墙施工工艺在实际施工过程中，很难把握好施工质量，防渗墙墙体易出现施工缺陷，例如厚薄不均、空洞等现象，这些缺陷可能对原设计的防渗效果造成严重影响[6- 8]。

利用GEO-STUDIO，对不同水位变化下不设置防渗墙和有防渗墙缺陷的坝体进行稳定性分析。

1 模型的建立及参数

某小型农田水库总库容大约为1200万m3，原设计坝顶宽为7m，坝顶高程为35m，坝身为碾压式均质土堤。土石坝多年运行后，坝体出现渗漏，土石坝的下游坡段出现大面积坍塌，水库的安全运行受到严重影响。通过综合分析，需要对土石坝进行防渗加固，降低坝体的浸润线。图1为土石坝全貌图。

图1 土石坝全貌

所研究的库岸岸坡为粘土心墙土石坝，依据相关试验以及规范[9]，对岩土体相关物理参数进行经验取值，表1为坝坡相关的物理力学参数。利用GEO-STUDIO，对不同水位情况下设置防渗墙前后的坝体进行稳定性分析。

2 防渗墙设置前

2.1 稳定性分析

原坝体在正常蓄水位时，上游水位为47.875m，下游无水。对不同水位情况下的坝体进行渗流稳定性分析，上游水位从47.875m下降到35.575m，水位下降速度分别为3m/d、1m/d、0.5m/d，分别对1d、4d、10d、20d、120d、220d后的坝体进行稳定性分析，图2为原水位情况下坝坡下游计算分析图，因篇幅有限，图3只列举了原水位下降1d后不同下降速度情况下的坝坡稳定性分析图。

表1 坡体相关物理力学参数

图2 原水位情况下坝坡下游计算分析图(FS=0.767)

图3 原水位下降1d后坝体稳定性分析图

从图3中可以看出，水位下降时，水位下降速度越大，圆弧深度越深，这是由于水位下降速度不同时，岩土体的孔隙水压力也不同，坡体渗透作用力不同，导致圆弧发生位置有差异。

2.2 结果对比分析

为了直观对比分析，表2和图4列举了设置防渗墙前不同水位变化情况下上游坝坡安全系数计算结果。

表2 设置防渗墙前上游坝坡安全系数计算结果

图4 设置防渗墙前上游坝坡安全系数计算分析图

从图4和表2中可知，库水位下降幅度为12.3m，当库水位下降速度为3m/d时，水位下降4d后，坝坡安全系数最低为1.142，之后水位不再变化，坝坡安全系数逐渐稳定；当库水位下降速度为1m/d时，水位下降10d后，坝坡安全系数最低为1.12，之后水位不再变化，坝坡安全系数逐渐稳定；当库水位下降速度为0.5m/d时，水位下降20d后，坝坡安全系数最低为1.191，之后水位不再变化，坝坡安全系数逐渐稳定。设置防渗墙前，随着库水位的降低，坝坡的安全系数也随着降低，库水位不再变化时，坝坡安全系数逐渐回升，但增加缓慢，坝坡的安全系数要低于水位下降初始时刻的安全系数。

3 有防渗墙缺陷

对原坝体进行防渗加固处理，拟采用高压喷射灌浆来设置防渗墙，高压喷射灌浆是通过其高压力作用，对地层进行搅拌和切割，然后灌入水泥砂浆，使水泥砂浆与原土体混合，以此来提高原土体的固结性，降低原土体的渗透性。

该施工工艺在实际施工的过程中，很难把握好施工质量，防渗墙墙体易出现施工缺陷，例如厚薄不均、空洞等现象，这些缺陷可能对原设计的防渗效果造成严重影响，本节将对防渗墙出现缺陷时的坝体进行渗流稳定性分析。

原坝体的填筑土层有三层，假设每个土层均有一个孔洞，直径0.5m，孔洞渗透系数与原土层渗透系数相同。库水位从47.875m下降到35.575m，水位下降速度分别为3m/d、1m/d、0.5m/d，对不同水位下降速度、不同时间段、不同缺陷位置的坝体进行分析，因篇幅有限，只列举了在原水位情况下和水位下降1d后的有防渗墙缺陷的坝体下游稳定性分析图。如图5、6所示。

图5 原水位情况下的有防渗墙缺陷的坝体下游稳定性分析图

图6 水位下降1d后防渗墙缺陷位于坝身的坝体上游稳定性分析图

4 结果对比分析

为了直观对比分析，对不同水位下降速度、不同时间段、不同缺陷位置的坝体稳定性进行比较，表3为原水位情况下防渗墙缺陷位置不同时坝坡下游计算结果表，表4和图7为不同水位情况下防渗墙缺陷位于坝身时坝坡上游计算结果，表5和图8为不同水位情况下防渗墙缺陷位于坝基细砂层时坝坡上游计算结果，表6和图9为不同水位情况下防渗墙缺陷位于坝基强风化花岗岩时坝坡上游计算结果。

表3 原水位情况下防渗墙缺陷位置不同时坝坡下游计算结果表

表4 不同水位情况下防渗墙缺陷位于坝身时坝坡上游计算结果表

表5 不同水位情况下防渗墙缺陷位于坝基细砂层时坝坡上游计算结果表

表6 不同水位情况下防渗墙缺陷位于坝基强风化花岗岩时坝坡上游计算结果表

图7 不同水位情况下防渗墙缺陷位于坝身时坝坡上游计算结果

图8 不同水位情况下防渗墙缺陷位于坝基细砂层时坝坡上游计算结果

图9 不同水位情况下防渗墙缺陷位于坝基强风化花岗岩时坝坡上游计算结果

从表3中可以看出，在原水位情况下，防渗墙缺陷位于坝基细砂层时，坝坡下游的安全系数最低，这是由于坝基细砂层的渗透系数最大，库水渗流时，渗流路径发生了改变，渗流路径将会变短，渗流量增大，岩层的渗透系数越大，防渗墙缺陷对坝体渗流的影响越大，导致坝坡下游的安全系数偏小。

有防渗墙缺陷时，不管防渗墙缺陷位于哪个土层，随着库水位的降低，坝坡上游的安全系数均为先减小后逐渐回升的趋势，水位下降速度越大，坝坡上游安全系数越低。相比于设置防渗墙前，防渗墙缺陷使得上游坝坡的安全系数的最小值整体减小，可见防渗墙缺陷的存在，对坝坡上游稳定性影响很大。

5 结论

利用软件GEO-STUDIO，对不同水位变化下不设置防渗墙和有防渗墙缺陷的坝体进行稳定性分析。

设置防渗墙前，随着库水位的降低，坝坡的安全系数也随着降低，库水位不再变化时，坝坡安全系数逐渐回升，但增加缓慢，坝坡的安全系数要低于水位下降初始时刻的安全系数。随着库水位的下降，水位下降速度越大，上游坝坡安全系数越低。

岩层的渗透系数越大，防渗墙缺陷对坝体渗流的影响越大，导致坝坡下游的安全系数偏小。相比于设置防渗墙前，防渗墙缺陷使得上游坝坡的安全系数的最小值整体减小，可见防渗墙缺陷的存在，对坝坡上游稳定性影响很大。