淤泥大坝上下游防渗加固改造技术及渗流分析

王冶志,李翠兰

(东港市水资源服务中心,辽宁 东港 118300)

0 引 言

淤泥大坝是一种特殊的坝型,由于其各部分的材料成分和工程特性有所不同,因此容易产生渗流问题[1-2]。渗流是指水流通过土体、岩石中的孔隙或裂缝中,导致大坝发生渗漏或渗水现象。这种渗流现象可能对大坝的安全性和稳定性造成威胁,因此需要采取相应的防渗加固技术和进行渗流分析。

淤泥大坝的上游和下游区域是防渗加固的重点区域,上游防渗加固技术主要包括使用黏土斜墙、注浆排水、加固坝体等措施[3]。黏土斜墙是一种常用的防渗措施,通过在坝体上游面增加一层黏土质的倾斜墙体,可以有效提高坝体的防渗性能。注浆排水是利用注浆和排水系统,截断和控制渗流[4]。加固坝体可以通过增加坝体的厚度、加固坝基等方式,增强大坝的稳定性和抗渗能力。对于淤泥大坝的下游区域,一种常用的防渗加固技术是通过使用原坝体材料培厚。该方法利用原有坝体材料对下游坝坡进行加固,增加坝体的抗渗能力和稳定性[5]。

渗流分析是对大坝上下游区域的渗流情况进行研究和分析。通过对渗流路径、渗透流量、渗流压力等参数的分析,可以评估渗流对大坝的影响和风险,并为防渗加固措施的设计和选择提供科学依据。因此,为了提升淤泥大坝的防渗性能,本文采用渗流模型,对水流的渗流参数进行计算,研究两种不同的上下游加固方案,通过对加固后的坝体渗流参数进行计算,提出合理的防渗加固措施。

1 渗流计算方法及加固技术

1.1 渗流计算方法

水流通过多孔介质发生渗流,多孔介质周围为坚硬的外壳,内部为稀疏多孔的材质[6]。水体产生渗流包括两种情况,分别为土壤本身结构的特性以及由于水流之间有压强的差别,使水流在土壤中流动,并且流动的方向是从压强高的位置到压强低的位置[7]。然而,按照传统的方法来定义水流的流速研究效果不佳。因此,对水流渗流的研究主要是在宏观上了解渗流在一定范围内的平均效果。

渗流模型作为渗流力学领域中一种方便的计算方法,常被应用于渗流的计算中。渗流模型认为,水流填满孔隙后会继续流动,当土壤基质全被水流填满后,则完成渗流作用[8-9]。渗流作用在一个有界的空间内进行,因此引入一个边界条件,以此达到控制流程边界的目的[10]。边界条件一共有3种:第一种为水头边界条件,即边界上给定的水头分布;第二种为流量边界条件,即在边界上给定的流量分布;第三种为混合边界条件,空间内的压强差与外界的水流交换量之间有一种线性关系[11]。3种边界条件的计算公式如下:

式中:(x,y,z)为坐标;t为时间;n为边界法线;β、α均为常数;qn为单元面积上的流量;K为渗透系数。

式中:lx、ly、lz为边界法线与坐标轴之间的方向余弦;kx、ky、kz为3个坐标轴方向上的渗透系数。

图1 坝体的浸润面示意图

[H]{φ}={F}

(3)

式中:[H]为整体的渗流矩阵;{φ}为渗流场水头;{F}为节点的渗流量。

根据式(3)可以求出水头,进一步可以求出水力的坡降、渗流量。通过对渗流各项参数的计算,可以为后续防渗加固改造技术的防渗效果进行分析,选出最佳的防渗加固方案。

1.2 防渗加固改造技术

淤泥坝防渗加固改造技术的目的是使淤泥坝在结构上满足防渗设计标准,实现蓄水功能安全、顺利地进行。基于此,有两种具体的方案:方案A是在上游坝坡点建立一个黏土质斜墙体,培厚下游坡坝,同时还需要在下游坝脚处建立一个排水设施,使上下游的坝坡边坡系数满足规定的要求。方案B是采用原坝体材料培厚上下游坝坡,使坡度的角度变缓,延长渗流的路径,同时也需要在下游坝脚处建设一个排水设施。

方案A具体实施过程如下:黏土斜墙是一种常见的土工防护结构,用于抵抗边坡土体被侵蚀和冲刷的力量。它通常是由黏土材料构成的倾斜坡面,与坡面呈一定的倾角。其主要作用是防止水流冲刷和侵蚀边坡土体,增强边坡的稳定性。当水流冲刷边坡时,黏土斜墙能够减弱冲刷力,限制土体的下移和侧向侵蚀,保持坡体的完整性。黏土斜墙和原坝体材料不同,原坝体材料的渗透系数大于黏土的渗透系数,具有更好的防渗性能。同时,还需要设置一层反滤层,以达到保护斜墙的目的。反滤层是指在施工黏土斜墙前,设置一层合适的过滤材料,用于防止黏土颗粒被冲刷掉,从而保持黏土斜墙的稳定性。还需要在上游坝坡处加设保护层。保护层是在黏土斜墙表面设置一层防护层材料,如钢筋网、土工布等,用于增强黏土斜墙的抗冲刷能力。

方案B的具体实施过程如下:采用弱于方案A中的原坝体材料进行加厚,同时在上下游位置采用培厚进行坝坡加固。培厚加固是在上下游坝坡位置回填土料及风化料,其目的是使方案的实施进行简化,坝体的结构相较于方案A会比较简单。方案B的上游坝坡从外到内分别为护坡、坝体,下游护坡同样采用草皮。

方案A和方案B分别有13种和11种上下游坝坡加固方案,利用数值分析方法对方案A和方案B在校核水位下的各项参数进行计算。方案A和方案B中各自对应的方案表示、两种改造方案的上下游坝坡边坡系数以及渗透系数见表1。

表1 上下游坝坡边坡系数以及渗透系数

为了满足具体的需求,方案A中的上游护坡厚度、保护层的厚度、反滤层厚度依次为0.5、1.2和1.40m,并且3种加固设施与坝坡之间呈平行、贴合关系。护坡、保护层和反滤层的材料依次采用干砌石、砂砾石和天然砂砾材料,其中天然砂砾材料需要根据实际的情况和工程要求进行配比。在下游坡脚处安置一个褥垫排水装置,褥垫与坝体之间有1%的角度差值,以确保水流能够快速流动。在下游草皮护坡下方填充一层厚度0.5m的碎石,以保证草皮的稳固。方案B中,将干砌石作为护坡材料,其铺设厚度为0.5m,保证与方案A的护坡铺设方法和材料的一致。在方案B中的上游和下游坡脚位置同样铺设一层草皮,下方垫上0.5m的碎石。排水设备也与方案A中的一致。方案A和方案B改造技术示意图见图2。

图2 方案A和方案B的改造技术示意图

2 防渗加固技术试验与分析

2.1 渗流计算方法验证

为了验证渗流模型计算的有效性,采用Autobank软件计算出的结果作为实际参数值,将实际的参数值与渗流模型计算出的数值进行对比。构建的仿真坝体模型高度、上下游水深依次为15.0、13.0和2.0m。模型上游坝坡的边坡系数值为3.0m,下游坝坡的边坡系数值为2.0m。仿真坝体的上部坝顶宽设置为5.0m,渗透系数为0.001cm/s。两种方式计算得出的浸润线结果见图3。

图3 浸润线计算结果

图3(a)为仿真模型设置的初始效果图;图3(b)为Autobank软件和渗流模型计算的浸润线。可以看出,通过Autobank软件计算的渗流逸出点高度为5.52m,而采用渗流模型计算的渗流逸出点高度为5.15m,误差值仅为6.7%。同时,采用Autobank软件计算出的单宽渗流量为2.25×10-6m3/s,渗透模型计算出的单宽渗流量为2.31×10-6m3/s,误差值为2.7%。因此,研究结果验证了构建的渗透计算方法的有效性,能够应用于加固方案渗流分析中。

2.2 两种加固方案对比试验与分析

在对加固方案的防渗效果进行分析之前,需要计算坝体的出口渗透比降和容许渗透比降之间的比值。该比值可用于判断大坝的安全性,比值越小,表明坝体越不容易产生渗透破坏,因此也越坚固。选择某地淤泥坝体作为研究对象,按照相应的计算公式,可以得出该坝体的水流溢出高度为12.0m,单宽渗流量为4.5×10-6m3/s。下游坝坡出口渗透比降、容许渗透比降分别为3.43和0.45。由于存在出口渗透比降大于容许渗透比降的情况,因此该坝体的防渗效果较差,需要采用防渗加固措施进行处理。采用方案A和方案B分别对坝体进行加固,加固后的出口渗透比降和单宽渗流量计算结果见表2。

表2 两种方案加固后的出口渗透比降和单宽渗流量计算结果

从表2可知,采用方案A中的A1-A13方案,坝体的单宽渗流量相较于初始值4.5×10-6m3/s,分别下降82.78%、83.07%、87.44%、88.04%、88.78%、90.38%、90.42%、91.51%、91.58%、91.60%、91.60%、91.62%、91.67%;出口渗透比降与初始的3.43值相比,分别减少86.88%、87.76%、89.80%、90.67%、90.96%、91.55%、91.84%、93.00%、93.29%、93.29%、93.29%、93.29%、93.59%。采用方案B中的B1-B11方案,坝体的单宽渗流量与初始值相比,分别下降23.11%、30.44%、31.56%、31.78%、32.00%、32.22%、32.89%、33.11%、34.44%、34.67%、35.11%;出口渗透比降与初始值相比,分别减少79.01%、81.05%、81.92%、83.09%、83.97%、84.84%、86.01%、88.92%、88.92%、89.21%、89.50%。

由此可见,A13方案相较于方案A中的其他方案,单宽渗透量和出口渗透比降减少最多。B11方案相较于方案B中的其他方案,单宽渗透量和出口渗透比降减少最多。对A13、B11这两种方案的浸润线进行计算,分析两种方案的防渗效果,计算结果见图4。

图4 两种方案的浸润线计算结果

图4(a)为A13方案改造后的浸润线计算结果;图4(b)为B11方案改造后的浸润线计算结果。在坝体改造前,水流进入坝体的高度为20.0m,经过A13方案改造后的浸润线流进坝体的高度为12.0m,与改造前的高度相比减少40.0%。经过B11方案改造后的浸润线流进坝体的高度为16.0m,与改造前的高度相比减少20.0%。因此,采用A方案中的A13方案能够有效降低水流的浸润线,使水流和坝体之间的作用力减小,减小了水流对坝体防渗效果的损伤。

3 结 论

为了提升淤泥大坝上下游防渗水的性能,本文分析了两种不同的上下游加固方案,并对加固后的坝体渗流参数进行了计算。结果显示,渗透模型计算出的单宽渗流量与Autobank软件结果相比,误差值仅为2.7%。方案A中的A13方案,坝体的单宽渗流量相较于初始值减少91.67%;出口渗透比降与初始值相比,减少93.59%。而采用方案B中的B11方案,坝体的单宽渗流量与初始值相比,下降35.11%;出口渗透比降与初始值相比,减少89.50%。A13方案和B11方案改进后坝体的水流浸润线相较于原始高度,分别减少40.0%和20.0%。研究表明,在上游设置护坡、保护层、黏土斜墙、反滤层,下游采用褥垫排水和草皮进行加固,且上下游的坝坡系数分别为3.00和2.75时,能有效提升淤泥大坝的防渗性能。