均质土石坝放水涵洞渗流与稳定分析

杨宜梅

（四会市水利水电勘测设计院，广东 四会 526200）

0 引言

由于土料的防渗功能较为理想，是一种天然的筑坝材料，因而在土石坝施工中应用非常广泛，但不可忽视的是土料具有的亲水性也非常强，对水极为敏感。因此，为了给均质土石坝的稳定性提供有力保障，基于对均质土石坝放水涵洞破坏点存在随机性的考虑，本文引用了有限元软件，针对放水涵洞各个位置的破坏情况进行了建模分析，以明确可放水涵洞破坏可能给均质土石坝渗流与稳定性带来的影响。

1 均质土石坝放水涵洞

对于引用放水涵洞后置闸门控制的土石坝来讲，具有结构简单、施工成本较低，且施工管理更加便捷等优势特点，但从工程结构合理性这一层面来讲，坝后闸门控制方式存在的缺陷也是不容忽视的。主要体现在防水涵洞的运动状态会发生改变，可能会从长期不受水压的状态转变成长期有压的状态，压力水头、库水位相等。若一直受到水压力的作用，涵管结构的一些薄弱之处会出现不同程度的疲劳损坏，再加上闸门在启闭时会产生一定程度的水击，极易引发涵管破裂现象。若放水涵洞的某一部分受到破坏，在设计水压下，这一部位会不断的向坝体渗水，再加上坝体正常的渗流，会直接影响到坝坡的稳定性。对此，本文便引用有限元软件Seep3D，对放水涵洞在不同位置发生的破坏情况进行模拟，基于此，对放水涵洞破坏点位置可能给土石坝渗流、稳定性带来的影响进行深入分析[1]。

2 工程实例

某水库控制流域面积13km2，总库容368 万m3，主坝为均质土坝，全长239.0m，坝顶宽5.0m，坝顶高程为79.5m，最大坝高25.1m。大坝上游坝坡为1:3；下游坝坡为1:2.5。水库上游正常蓄水位76.75m，下游无水。放水洞位于土石坝底部.引用坝后闸门控制。因为使用了较长的时间，其放水涵洞内的涵管出现了不同程度的裂缝，裂缝部位向坝体渗水较为严重，再加上土石坝的正常渗流，直接影响到了土石坝的渗流、稳定性。

3 建立渗流模型

3.1 建立限元模型

Seep3D 是一款专门围绕真实三维渗流问题研发的有限元软件。通过这一软件的科学引用，能够快速完成相应模型的建立，准确定义模型材料属性、边界条件。之后，再计算求解，这样在三维界面就可以实现对等值面、流线等结果的查看。此外，通过剖析模型关键部位，引用专业数据处理工作便可以快速、精确的分析得到的结果[2]。

基于防水涵洞涵管的破坏位置存在随机性，本文在分析中就从放水洞的入水口着手，假设每隔12m 会出现一个与坝轴线方向平行的，长1m、宽3m 的破坏点，建设一共会出现11 个破坏点，分析这时一种工况下土石坝的渗流与稳定情况，并将分析结果与放水洞未发生破坏的情况进行对比分析，以深入了解放水涵洞不同破坏点可能给土石坝渗流、稳定带来的影响。

为了给建模提供一定便捷，尽可能提升计算速度，在保障模拟精度的同时，合理简化模型，本研究对下游反滤层、上下游护坡可能给渗流带来的影响忽略不计。基于实际坝长239.0m 的考虑，基于放水洞两侧各18.65m 来进行模型建立。

3.2 选定坝体材料参数

对于坝体渗流参数来讲，一般都会涉及渗透系数、容重，还有抗剪强度等一系列物理、力学指标。本文主要是基于工程地质勘察、土工试验来慎重选择的参数。表1 为材料物理力学参数。

表1 材料物理力学参数

4 渗流稳定分析

首先，对于临界渗透坡降的计算来讲，在具体分析中，应结合现有数据，先将坝体允许渗透坡降值计算出来。若渗透力能够做到对土颗粒之间的粘聚力、内摩擦力的有效克服，土颗粒能够进入悬浮状态时，其渗透比降便可以称之为临界渗透坡降[3]。

其次，对于渗流计算来讲，在计算中可以明确出现流土的临界渗透坡降为0.783。结合相关计算公式可以得出渗透坡降计算结果。结合表2、表3、表4 的差值可以明确，破坏点到放水洞入手口的距离若在76.08m 以内，坝体的渗透坡降则在临界渗透坡降以内，大坝也不会因为渗透而受到破坏或是出现变形，可以为土石坝的稳定性提供一定保障。但距离若在76.08m 之上，坝体的渗透坡降便会超过临界渗透坡降，进而导致土石坝因为渗透而受到不同程度的破坏。且随着距离的不断增加，土石坝模型的渗流量也随之大幅度增加。此外，还要结合实际需求，科学引用土石坝渗漏高精度探测技术，如图1 所示。

表2 渗流计算结果（一）

表3 渗流计算结果（二）

表4 渗流计算结果（三）

图1 土石坝渗漏高精度探测技术

5 渗流破坏除险方案

5.1 渗水除险方案

针对一些比较严重的有害渗水，可以引用填筑压实法、放淤固坝法，或者是机械吹填法来适当的加宽坝身，或者是做透水后戗。又或者是结合具体情况，在临水侧外邦进行防渗斜墙的增建。还可以以垂直铺塑等方式来进行垂直防渗。而对于一些不会给坝坡抗滑安全带来威胁，但却会冲刷坝坡，破坏流土的渗水，可以引用透水后戗，或者是贴坡反滤等方案来除险[4]。针对坝身渗漏进行处理时需要采取上堵下排方法，针对渗漏出现原因进行分析，做好现场情况分析工作，进而采取有效措施。

（1）斜墙法。斜墙法其实就是在上游出进行加固等处理，实现对原有防渗斜墙的处理。目前斜墙法主要适用于施工质量不高。管涌塌坑等，通过对所使用的材料进行分析，主要包含沥青混凝土斜墙、土工膜防渗斜墙等。在使用沥青混凝土斜墙时如果粘土土料不足，且具备适合的沥青材料时，就可以在上游坝坡使用沥青混凝土斜墙，在适应坝体变形等的基础上提升抗震能力。这一技术具有工期短、投资省等特点，并积累了丰富的经验，所以目前沥青混凝土处理渗漏问题已经成为比较常见的技术之一。在使用土工膜防渗斜墙时土工膜材料主要以橡胶、沥青、塑料为主，如果对土工膜的强度有着严格要求时可以使用尼龙布等作为加筋材料，通过一系列处理将其转变成为复合土工膜。从优势上来讲具有重量轻、运输量较小等特点，在耐腐性方面较强，施工便捷程度高，操作容易，能够有效节约工程造价。现如今土膜材料品种类型有了明显增加，在运用领域上也在不断增加。

（2）充填式灌浆法。从优势上来讲使用灌浆法时并不需要针对水库进行放空处理，可以在正常条件下开展施工工作，具有工程量较小，设备与技术要求并不复杂等特点，同时也可以进行就地取材。

（3）防渗墙法。使用防渗墙法时需要使用专业的机具，针对实际情况完成造孔工作，随后在孔内增加防渗材料，最后在地基、坝体中形成防渗体，实现防渗目标，如混凝土防渗墙、黏土防渗墙。在使用混凝土防渗墙时需要在土石坝坝轴线方向建造防渗墙，不仅可以将其建设在坝体部分，同时也可以进入基岩下相应深度，达到截断坝体、坝基渗漏通道的效果。从优势上来讲能够适应比较复杂的地质条件，同时也可以避免对水库进行放空处理，施工质量监控比较便捷，耐久性较强。在黏土防渗墙中则是适用冲抓式打井机具，在防渗体中完成造孔，同时还需要使用黏性土料完成分层回填夯实工作，形成连续性粘土防渗墙。在进行回填夯实工作时能够对井壁土层进行挤压，同时也可以提升周边土体的密实度，进一步提升坝体质量，实现防渗加固目标。黏土防渗墙法具有机械设备简单化、施工便捷性、工艺简单、工程量较小等特点，在防渗效果上也是较强的。

5.2 漏洞和跌窝除险方案

对于漏洞和跌窝来讲，一般都是因为生物洞穴而出现的，在汛前通常都难以做到及时发现，但在汛期这种险情的发展速度一般都比较快，再加上坝身断面十分有限，所以带来的危害也是非常大的，抢险也会遇到诸多困难。所以，为了能够尽可能做到防患于未然，在汛前要定期巡查、探查漏洞和跌窝，在开挖后，及时的做好回填加固处理，若开挖存在一定难度，可以通过充填灌浆的方式来有效处理。

5.3 集中渗漏除险方案

针对坝身、穿坝建筑物基础接触面的集中渗漏，可以在临水侧引用静压注浆，或者用高喷注浆的方式来进行垂直防渗处理。又或是在接触面，引用静压注浆的方式来做好处理。若有必要，可以针对透水面来做反滤，以加强保护。对于坝身、建筑物侧墙间的集中渗漏，在具体处理过程中可以引用接触面静压注浆的方式来完成。对于新老坝身结合的水平层面出现的集中渗流来讲，在具体处理中，可以在临水侧，以开挖回填封堵，或者是接触面充填灌浆的方式来进行。坝分段建设的结合部位若发现集中渗流情况，在实际处理中可以结合具体情况，在临水侧截渗，或者是对结合部挤密灌浆等方式来达到除险目的。若存在必要还可以结合实际情况，在背水坡，以反虑保护的方式来达到除险效果。对于具体选择哪一除险方案，还是要对渗流渗透的计算结果的分析，在保障除险效果的基础上，从工程管理、经济，还有环境影响等诸多方面的综合考虑下，选择成本较低、更科学有效的方案。

6 结语

综上所述，通过对均质土石坝放水涵洞渗流与稳定分析可以明确，放水涵洞在受到破坏后，会直接影响到大坝，不仅会导致坝体浸润线太高，下游坝坡抗滑稳定安全系数不断降低，还会导致坝体内部最大渗透坡降超过临界渗透坡降，进而导致土石坝出现渗透。因此，为了给水库大坝的稳定运行提供有力保障，在实际运行中一定要密切监测，联系实际作出全面分析，一旦发现放水涵洞受到破坏后，要及时采取有效措施进行加固处理。