基于有限元分析的土石坝防渗加固效果研究

陈建华

(江西省玉山县七一灌区水资源保护中心,江西 玉山 334700)

0 引 言

随着自然环境的变化、管理方面的不足以及灾害的发生,导致我国部分水库受到破坏。据统计,国内病险水库近百座,而水库一旦出现破坏,会对附近居民的生命财产安全造成严重的损害,所以对水库的加固修复工作迫在眉睫[1-3]。其中,渗流是导致水库破坏的主要因素。渗流运动会形成渗透压力和负孔隙水压,极易造成坝坡滑移、流沙、管涌等现象,严重影响大坝的安全性和稳定性。

渗流对大坝整体稳定十分关键,在设计时应将渗流的影响考虑在内,许多学者对此进行了分析和研究[4-5]。侯恩传等[6]通过有限元,分析了冲抓套井回填技术加固大坝前后坝体的渗流变化情况,给大坝加固方案的优化提供了思路。李卓等[7]分析了降雨对土石坝渗流及其稳定性的影响,揭示了坝坡安全系数和渗透比降、孔隙水压的关系。

基于此,为了评价振动射冲成槽防渗墙对大坝的防渗效果,本文通过有限元模拟计算分析防渗墙各参数对其防渗效果的影响,研究成果可为相关工程提供参考和借鉴。

1 研究区概况

某水库蓄水面积11.15km2,水库的设计库容5 000×104m3。水库类型为湖泊式平原水库,主要功能包括保障居民用水、供给附近区域工业生产用水、农业灌溉等。工程建于1990年,分期建造完成。1994年11月,开始施工一期水力冲填筑坝,筑坝高度2m;1998年11月,一期工程完工,初步进行低水位运行;2002年,二期工程完成,水库正式开始使用。之后水库于2008年停止使用,当作备用水库。2018年,当地用水量不断提高,当地部门决定将水库重新投入使用,同时分析了水库恢复使用可行性。水库坝基土层类型见表1。

表1 各层土体类型

此外,水库由于长期停用,围坝防渗出现破坏、漏渗等现象,坝基坝体土体渗透系数均超过国家标准,不满足使用标准。因此,水库恢复使用前必须对围坝采取加固防渗措施,通过方案对比分析,采用振动射冲成槽防渗墙来加固围坝。

2 有限元分析防渗加固效果

2.1 模型建立

在建立模型时,因为只对渗流因素进行考虑,土体选择弹性模型,对全部节点的位移自由度进行约束。计算时,节点数和有限元网格数分别为2 821个和2 670个,选择CPE4P作为单元类型。

2.2 防渗效果受防渗墙偏离坝轴线位置的影响

为了评价设计中东坝断面防渗墙所处位置是否正确合理,改变防渗墙位置,再次和工况1(防渗墙和坝轴线重合,也是设计位置)进行对比分析,调整位置依次为坝轴线上游(工况2)、下游偏位1m(工况3)。将无防渗墙工况(工况4)和以上3种防渗墙工况进行比较,具体结果见表2。

表2 各工况围坝渗流情况

从表2能够看出,工况3中防渗墙消耗水头、墙内比降和墙底水平坡降均大于其他工况。当防渗墙位置和上游水位距离越来越远时,工况1-工况3对渗流的影响均表现为线性相关。工况1的单宽流量最低,与工况4相比,单宽流量下降约16%,工况3和工况2分别下降12%和13%。因为与单宽渗流量相比,墙内比降、消耗总水头的百分比以及墙底比降造成的影响较小,因此工况1坝轴线和防渗墙相重合较为实用,也证明了该方案的合理性。

2.3 防渗效果受防渗墙宽度的影响

为了研究防渗墙宽度对防渗性能的影响,对整个坝基坝体在不同防渗墙宽度时的消耗水头占比、墙内比降、渗流量以及墙底水平坡降的变化情况进行分析。设置4种防渗墙的宽度,依次为0.6、0.4、0.2m以及无防渗墙(0m)。见表3。

表3 各防渗墙宽度渗流情况

从表3结果能够得出,当防渗墙宽度越来越大时,消耗水头值、墙内比降、渗流量以及墙底水平坡降的变化趋势均表现为线性。虽然单宽渗流量有所降低,但降低幅度较小,仅降低3%和5.6%,没有体现出较好的防渗效果。造成此现象是因为防渗墙出现渗流时,墙体减小了水流流速,提高了阻力,当增加防渗墙宽度时,墙内径流增长,在一定程度上提高了工程成本和施工难度,还没有达到预期的防渗效果。因此,不能单纯地以提高防渗墙厚度的方式来增强防渗效果,要在规定的防渗标准下,合理制定防渗墙的厚度。通过对比,防渗墙厚度为0.2m时效果较好,也最经济。

2.4 防渗加固效果受防渗墙渗透系数的影响

因为施工现场环境复杂、条件多变以及工人素质的高低不一,防渗墙的施工质量通常低于设计标准,常常出现薄弱层、空洞等问题,这就使防渗墙渗透系数大于设计值,无形中降低了防渗标准。

为了分析防渗加固效果受防渗墙渗透系数的影响规律,确定防渗加固中防渗墙渗透系数的重要程度,拟定防渗墙渗透系数kh依次为10×10-6cm/s、设计值(5×10-6cm/s)以及0(不透水情况)。各渗透系数下的相关数据见表4。从表4中能够得出,防渗墙不透水时消耗了总水头的81.7%,基本上将水全部拦截在上游侧。水在流经上部防渗墙时,因为防渗墙基本不透水,且坝体上部土基质吸力的存在,导致水在流至防渗墙时顺着防渗墙朝上部移动;在水流至防渗墙底部时,同样因为防渗墙基本不透水,导致水从防渗墙底部绕流而过,并且于下游坝基中再次出现渗流,从而导致在集渗沟部位溢出。

表4 各渗透系数渗流情况

从表4数据中可知,在防渗墙基本不透水时,其允许坡降(6.3)远远小于墙内比降(16.34),但是局部孔隙水压力和墙内比降较高,会在一定程度上缩短防渗墙的耐久性,不利于防渗墙的安全和稳定。从大坝的安全性考虑,尽管渗流量仅达到设计值的75%,但仍无法成为方案选择的主要目的。

各工况防渗墙下游水头值和渗透系数间的关系见图1。从图1中能够得出,两者基本表现为线性负相关,防渗墙防渗性能的优劣受到其渗透系数的直接影响。此现象是因为在渗透系数降低时,土中水的流动性逐渐变差,流速逐渐减小,防渗墙降水进行阻拦,使其不能流进下游土体中,从而降低了下游水头,最终达到防渗目的。在防渗墙基本不透水时,渗流量为无防渗墙的64.7%,因此一味地降低防渗系数并不能起到很好的防渗效果。同时能够发现,渗流量在渗透系数从设计值提高至两倍时仅增大13%。由此能够看出,渗透系数的持续减小和增大并不会对渗流量造成较大的影响,渗流量基本会稳定在一个固定值。

图1 防渗墙各渗透系数下的下游水头变化趋势

2.5 防渗墙防渗加固效果受其埋入土层深度的影响

为了研究防渗墙防渗加固效果受其埋入土层深度的影响,对其埋进混合土(粉质黏土和粉土)、粉土以及粉质黏土的防渗效果进行分析。防渗墙设计长度11m,不改变墙顶标高,参考土层厚度,设定防渗墙长度依次为0、6.4m。根据埋入土层的不同,并保持墙顶标高不变,防渗墙的长度分别为11m(③层)、9.6m(②层)、6.4m(①-3层)以及0m(不设防渗墙)。经过计算得出的防渗墙下游侧水头曲线在各墙长下的变化趋势,见图2。

图2 各防渗墙长度下的总水头曲线

从图2能够得出,总水头曲线随着防渗墙墙长的提高而减小,但减小幅度较小。随着入土深度的提高、防渗墙墙长的增大,坝基内有粉质黏土层,而此类土渗透系数较低,故减小了渗透性,导致水流变向,增大了水流的流经长度。在防渗墙伸进粉土层时,此类土曾渗透性较强,但总水头线并未出现快速增大,这是因为粉土层在防渗墙上部,不论进入到哪类土层中,防渗墙对水流能够起到很好的阻拦作用,使总水头线并未出现较大变化。在实际工程中,为了防止坝基坝体部分区域发生管涌现象而破坏坝体,设计时应严格规定墙底坡降和墙内比降的标准,并有明确的要求。因此,在制定防渗墙入土深度时,综合考虑墙土接触面、墙体的稳定性,把防渗墙深度设为超过渗透系数较大的粉土层,伸入渗透系数较小的粉质黏土层,以保证整个坝基和坝体的稳定性和安全性。

不同工况坝基坝体渗流量变化见图3。从图3中能够看出,防渗墙入土深度越大,渗流量并未发生较大波动,渗流量在墙体入土深度从6.6m提高至9.8m时,仅增增大,1.3%。由此可见,增大墙体埋入深度能够提高防身效果,但十分有限,性价比不高。

图3 各防渗墙长度下的渗流量

3 结 论

通过有限元模拟计算分析了不同因素对大坝防渗墙防渗效果的影响,结论如下:

1)坝体防渗效果会受到防渗墙位置的影响,其位置和坝轴线重合时最为实用与合理;不能单纯地以提高防渗墙厚度的方式来增强防渗效果,要在规定的防渗标准下,合理制定防渗墙的厚度。通过对比,防渗墙厚度为0.2m时效果较好,也最经济。

2)防渗墙防渗性能的优劣受到其渗透系数的直接影响,渗流量随着防渗墙渗透系数的提高而提高,两者表现为线性正相关关系。在防渗墙基本不透水时,渗流量为无防渗墙的63%。因此,一味地降低防渗系数并不能起到很好的防渗效果。

3)总水头曲线随着防渗墙墙长的提高而减小,但减小幅度较小;在设计防渗墙入土深度时,综合考虑墙土接触面、墙体的稳定性,把防渗墙深度设为超过渗透系数较大的粉土层,伸入渗透系数较小的粉质黏土层,以保证整个坝基和坝体的稳定性和安全性。