帷幕灌浆及充填灌浆对水库除险加固的影响研究

刘 阳，侍克斌，胡洪浩

(新疆农业大学 水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

截至2007年底，我国已建成各类水库87 085座，其中大型水库510座，中小型水库86 575座，而大多数建于20世纪50-70年代[1]，目前这些水库中有4.7×104座以上为病险水库[2]。此类水库的坝体及坝基渗漏问题往往都较为严重，对社会和经济环境的影响较大，威胁着社会稳定和经济发展[3-5]。坝体及坝基渗漏严重影响大坝的安全稳定运行，如何有效地对病险水库进行除险加固值得深入研究。

目前，针对各类不同险情的病险水库，相关学者开展了大量研究，针对不同病因的水库，提出相应的除险加固方案。如杨天光等采用纯黏土浆液加压充填灌浆技术，对四川省绵阳市涪江支流芙蓉溪支沟上的沉抗水库坝体及坝基进行除险加固，加固处理后，该水库正常运行[6]。娄康裕等采用黏土充填灌浆技，对大鹏街道水头村境内的长坑水库坝体进行除险加固处理[7]。周传远等采用粉质黏土灌浆技术，对枝江市百里洲镇闸口村百里洲泵站地基进行防渗加固处理，使泵站得以安全运行[8]。彭琦等采用防渗墙与帷幕灌浆结合的方法，针对天河口水库的大坝坝体、坝基和坝肩的渗漏问题进行防渗加固处理，加固后，侵润线明显降低，渗漏量明显减少[9]。谭德远采用劈裂灌浆技术分别对大湴列水库、独田水库、大金山水库、共青湖大坝进行除险加固处理，对比加固前后大坝的渗漏量，并进行渗透稳定分析[10]。廖井霞等针对鄂尔多斯市某灰渣库进行除险加固分析，建立三维渗流场计算模型，模拟结果论证了除险加固方案(下游坡脚采取排水棱体方案，对下游坝坡进行压重处理)的合理性[11]。严祖文等针对目前病险水库进行调查，总结出目前病险水库的数量、水库类型、存在的主要问题及解决措施[12]。大量研究表明，对病险水库进行除险加固，采用帷幕灌浆加固坝基，充填灌浆被应用于坝体的加固。但土石坝除险加固所面临的关键科学问题是如何减小渗流量、抑制坝体及坝基渗透坡降、稳固土石坝上下游边坡。帷幕灌浆及充填灌浆技术在控制渗流量、抑制渗透坡降、稳固上下游边坡方面的效果尚未形成统一的定论，仍需做进一步的研究。

因此，本文针对第四系冲洪积粉质黏土上的病险水库进行除险加固，研究两种灌浆技术(粉质黏土充填灌浆、混凝土帷幕灌浆)在控制渗流量Q、抑制渗透坡降J、稳固上下游边坡方面的效果；并采用两种有限元软件对比分析加固后土石坝的渗流及坝坡稳定特性，为类似病险水库的除险加固提供理论支持和技术支撑。

1 渗流有限元理论

1.1 连续性控制微分方程

针对可压缩土体的渗流，可通过质量守恒原理加以引证，渗流场中水在某一单元体内的增减流速等于进出该单元体流速之差，即为水的连续性控制微分方程。

div([k]{gradφ})=0

(1)

1.2 微分方程的边界条件

微分方程的边界条件，可分为流场几何形状的位置边界、起支撑作用的边界条件。从描述流动的数学模型看，边界条件可分为以下4类。

1) 第一类边界条件为水头边界条件：

h|Γ1=f(x,y,z,t)

2) 第二类边界条件为流量边界条件：

{n}T[k]{gradφ}=0

式中：{n}=[nxnynz]T为边界的外法线单位向量。针对不同渗透系数的均质土单一流场，得到的流网都是相同的，但对于不同土层分布的渗流场来说，就得考虑各土层的渗透系数。

3) 第三类边界条件为混合边界条件，是指交换的流量、含水层边界的内外水头差之间保持一定的线性关系：

式中：h为边界水头；α、β都是此类边界各点的已知数。

4) 第四类边界条件为不透水边界：

1.3 渗流有限元变分原理

有限元方法的理论是变分原理，即求泛函数积分后的函数值，把微分方程及其边界条件转变为极值问题。在已知水头边界条件下，对微分方程进行变分。

(2)

通过求解方程的极值，可得到相应的渗流水头h；通过有限元变分计算，可得到渗流相应参数。

1.4 坝坡抗滑稳定安全系数计算方法

在非饱和土渗流分析的基础上，进一步研究坝坡的稳定性，将计算得到的抗滑稳定安全系数k′与最小抗滑稳定安全系数kmin进行比较，分析坝坡的稳定状态。坝坡抗滑稳定安全系数k′为：

(3)

式中：li为土体滑弧穿过第i单元的长度，m；φi为第i单元土体的内摩擦角；ci为第i单元土体的凝聚力，kPa；τi第i单元圆弧滑面上的切向应力，kPa；σni为第i单元圆弧滑面上的法相应力，kPa，其计算方程如下：

(4)

(5)

式中：σix为水平应力，kPa；x为经验系数；σiy为竖向应力，kPa；τixy为单元剪应力，kPa；α为滑动面切线与水平向的夹角。

2 土石坝除险加固的渗流有限元数值模拟

2.1 模型建立

采用有限元软件对灌浆加固后的烟庄水库进行数值模拟计算，根据水库的水文、地质资料(工程概况)建立数值分析模型，具体工程概况如下。

2.1.1 工程概况

烟庄水库位于桐柏县平氏镇康庄村唐白河流域三夹河支流上。水库的坝基面的高程为122 m，校核洪水位为130.9 m，相应库容为81.5×104m3；设计洪水位为128.5 m，相应库容为50.84×104m3；兴利水位为126 m，兴利库容为24.5×104m3；死水位为122.85 m，死库容为1×104m3。土石坝坝高9.4 m，坝前水头分别为8.9、6.5、4和0.85 m，坝顶宽4 m，上游坝坡采用1∶ 3，下游坝坡采用1∶ 2.2。

该水库经过40多年的运行，存在许多安全隐患；一旦溃坝，将给下游水利基础设施和沿流域居住的人民群众带来严重灾害。经鉴定，烟庄水库病险严重，急需进行除险加固。水库主要存在以下问题：大坝为粉质黏土均质土坝，坝体填筑质量差，坝坡凹陷、局部塌陷；迎水坡局部坡面淘刷严重；输水洞进口爬坡漏剥蚀、裂缝，漏水；坝体位于第四系粉质黏土上，坝基回填质量差，渗水呈明流，坝下大面积沼泽化；两坝肩均存在坝肩渗漏问题。

综上所述，烟庄水库坝体及坝基渗漏破坏严重；经相关部门鉴定，该水库急需进行防渗除险加固。本文采用粉质黏土充填灌浆、帷幕灌浆技术对土石坝的坝体及坝基进行防渗加固处理。具体方案如下：采用帷幕灌浆技术对土石坝的坝基进行处理，沿坝基面将混凝土防渗帷幕墙向下深入坝基1 m，向上深入坝体1 m，以便截断接触渗漏，减小坝基及坝基接触面渗流量。采用粉质黏土充填灌浆对坝体进行防渗处理，在帷幕灌浆的基础上继续进行深8 m的粉质黏土充填灌浆。灌浆加固土石坝的模型断面见图1。对研究模型进行网格划分，得到渗流计算网格，见图2。

2.1.2 基本参数

坝体、坝基、粉质黏土充填灌浆墙和混凝土帷幕墙的设计干密度、渗透系数、允许渗透系数见表1。

图1 模型断面图Fig.1 Sectional drawing of model

图2 模型网格划分Fig.2 Mesh generation of model

表1 大坝基本参数Tab.1 The basic parameters of the dam

2.2 渗流数值模拟

采用有限元软件模计算加固后的土石坝。本模拟试验分别取坝前水头为校核洪水位(h=8.9 m)、设计洪水位(h=6.5 m)、兴利水位(h=4 m)、死水位(h=0.85 m)共计4种工况，分别计算4种工况下的大坝渗流量Q、防渗墙底部渗透坡降J1、坝基出逸坡降J2。如坝前水头h=8.9、4 m时，作渗流流网，见图3-图6。

图3 8.9 m水头大坝渗流流网(Seep/w)Fig.3 Seepage flow net of dam when water head equals to 8.9 meters

图4 8.9 m水头大坝渗流流网Fig.4 Seepage flow net of dam when water head equals to 8.9 meters

图5 4 m水头大坝渗流流网(Seep/w)Fig.5 Seepage flow net of dam when water head equals to 4 meters

图6 4 m水头大坝渗流流网Fig.6 Seepage flow net of dam when water head equals to 4 meters

3 结果与分析

3.1 数值模拟结果

分别采用两种有限元软件模拟计算4种工况下大坝渗流量Q、防渗墙底部坡降J1、出逸坡降J2，计算结果见表2。

表2 大坝渗流计算成果表Tab.2 The table of dam seepage calculation results

3.2 模拟结果分析

帷幕灌浆形成的混凝土防渗墙底部未嵌入基岩或穿过相对不透水层，为悬挂式防渗墙。将每种工况下的渗流量Q、坝基出逸坡降J2、防渗墙底部渗透坡降J1，与其允许值进行比较，探讨采用该方案(采用帷幕灌浆加固地基、粉质黏土充填灌浆坝体)处理后的土石坝是否满足正常蓄水及渗透稳定要求。

采用混凝土帷幕灌浆及粉质黏土充填灌浆后，坝前水头越大，土石坝渗流量越大；当为校核洪水位时，土石坝渗流量为6.52×10-5m3·s-1，对应校核洪水位的库容为81.5×104m3，渗流量极小，可忽略不计，满足正常蓄水要求。

为了更直观地将4种工况下坝基出逸坡降J2、防渗墙底部渗透坡降J1与允许值[J]进行比较，结合表2计算结果，绘制J2、J1在各种工况下的数值，见图7。

灌浆加固后的土石坝工程，防渗墙深度、坝体及坝基渗透系数都为恒定值，坝前水头h成为影响渗透稳定的最主要因素。随着坝前水头h的增加，防渗墙底部的渗透坡降J1、出逸坡降J2随之增加。

图7 4种工况下的渗透坡降值J2、J1Fig.7 J2、J1 under four conditions

根据土体的极限平衡条件，可得到产生渗透破坏的允许渗透坡降为：

(6)

式中:[J]为允许渗透坡降；G为土料比重；e为土体的孔隙比；k为安全系数，对于黏性土k=1.5，对于非黏性土k=2～2.5。

烟庄水库坝体土的孔隙比为0.682，土料比重为2.285；坝基土的孔隙比为0.666，土料比重为2.3；坝体及坝基都为黏性土，k取1.5。计算得，坝体、坝基的允许渗透坡降分别为0.51和0.52。

当水库处于校核洪水位时，坝前水头达到最大值(8.9 m)，防渗墙底部渗透坡降达到最大值，分别为0.42(Seep/w)和0.43，小于坝基的允许渗透坡降[J]=0.52；出逸坡降达到最大值，两种软件计算的出逸坡降值皆为0.23，小于坝体的允许渗透坡降[J]=0.51，满足土石坝渗透稳定的要求。

4 加固后土石坝坝坡稳定性分析

根据碾压式土石坝设计规范，并结合水库的运用情况，稳定分析所取的工况为以下两种：工况I：正常工况，正常蓄水位时形成稳定渗流期下游坝坡稳定；工况II：非常工况，库水位降落期的上游坝坡稳定。坝体最大断面在工况I和工况II的最不利滑动圆弧面见图8-图9。

采用帷幕灌浆加固坝基、粉质黏土充填灌浆加固坝体后，坝体的抗滑稳定计算结果见表3。

图8 下游兴利水位稳定渗流时的最不利滑动面Fig.8 The most disadvantageous slide surface of downstream constant water level steady seepage flow

图9 断面上游库水位降落时的最不利滑动面Fig.9 The most disadvantageous slide surface of upstream water level drop

表3 坝坡抗滑稳定安全系数表Tab.3 The table of slopesafety factor of stability against sliding

分析表3的计算结果，除险加固后坝体上下游坡在正常、非常工况下抗滑稳定安全系数分别为1.684和1.586，均大于允许安全系数(1.15、1.05)。由此可得，土石坝在各种运行工况下，土石坝的上下游坝坡均满足抗滑稳定要求。

5 结 语

对于第四系粉质黏土上的土石坝渗漏问题，采用帷幕灌浆和粉质黏土充填灌浆加固后，土石坝最大渗流量为6.52×10-5m3·s-1，对应库容为81.5×104m3，渗流量可忽略不计；土石坝坝基最大渗透坡降为0.43，小于坝基允许渗透坡降[J]=0.52，土石坝坝体最大渗透坡降为0.23，小于坝体允许渗透坡降[J]=0.51；除险加固后坝体坝体上下游抗滑稳定安全系数分别为1.684和1.586，均大于允许安全系数(1.15、1.05)；满足正常蓄水、渗透稳定、抗滑稳定要求。