混凝土防渗墙在病险土石坝加固中的应用论文_姚春娟

摘要：我国的病险土石坝中，渗漏及由渗流问题引起的边坡稳定性是一个普遍存在的问题。本文基于二维饱和一非饱和渗流的基本方程，采用有限元计算软件，结合工程实例计算分析某水库防渗加固方案对坝坡渗透稳定的影响，结果表明：在已建水库堤坝的防渗加固工程中，混凝土防渗墙对坝坡的渗透稳定起到很好的加固效果。

关键词：病险土石坝 加固 渗透稳定 有限元分析

中图分类号：TV442+.9 文献标识码：A

0 引言

我国幅员辽阔、水利资源丰富，人们修建了大量的水库，我国是建成水库最多的国家。土石坝取材方便，加上当时修建时期大多是在上世纪50-70年代，当时施工技术有限，留下了许多安全隐患，主要造成了洪水漫顶和下游坝坡渗漏，出现流土等渗透破[1]，进而导致出现滑坡及坝体出现裂缝等破坏，因此，土石坝安全评估应着眼于计算分析其防渗加固的效果，提出具有价值的防渗加固措施。

1计算理论及方法

1.1 渗流计算有限元法

1.1.1 运动方程

Darcy于1856年发表了著名的达西定律，表达式如下：

土石坝既有饱和区又有非饱和区，在计算时需同时考虑饱和与非饱和[2]。L.A.Richards认为达西定律可以引伸应用到非饱和流中[3]。非饱和流的一般形式，可用下式表示：

1.1.2 基本微分方程及有限元解答

不考虑土体和水体的压缩性，符合达西定律的非均质各向异性土体，二维稳定渗流问题的基本方程为[4]: 　

式中，为水头函数； 、是以、轴为主轴方向的渗透系数。

对于土坝稳定渗流，基本方程边界条件[5]：

进行渗流的有限元求解时，实际上是将泛函分解为有关单元泛函之和。事实上很多单元与结点是无关的。若定义共有结点的所有单元组成的集合记为，并设内的单元数为个，则对所有单元组成的集合内的每一个单元逐个计算，然后累加起来。对于渗流区域内的所有结点都用类似方法建立方程式，对于个结点可建立个方程式[6]，用矩阵表示为

式中，。

1.2 稳定计算理论

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274－2001）要求，坝体抗滑稳定复核采用简化毕肖普法进行计算。计算公式如下：

式中：为安全系数；为有效粘聚力；为土体重量；为土体容重；位土体底部斜倾角；为有效内摩擦角；为水平地震力；为滑弧半径；为土条宽度。

2 工程概况

某水电站正常蓄水位136.00m，死水位134.00m，水库总库容1.327亿m3，装机38万KW，设计洪水位为135.83m，校核洪水位为139.10m。未进行防渗加固前，大坝为均质坝，大坝上、下游坝坡均为1:1.8，下游121.00高程设有2m宽的马道，最大坝高53m，坝顶高程142.00m，坝顶宽度10m，坝顶长度342.00m。由于大坝施工质量差等原因，大坝渗流达不到安全要求，拟采用混凝土防渗处理，混凝土防渗墙沿坝轴线布置，采用等厚墙体，墙厚1m，上、下游均采用两层过渡料，水平宽4.5m。河床部位坝基基础混凝土防渗墙下在基岩处接帷幕灌浆。

3 加固前后渗流场对比分析

3.1计算模型及边界条件

本文以河床坝段最大坝高横断面为对象，采用Geo-studio软件建立平面有限元计算模型，其中模型自坝踵向上游取150m，自下游压重末向下取100m，自坝基向下深度取约89m，向上取至坝顶。根据原大坝设计、安全鉴定阶段及地质勘察报告，并参照国内已有的类似土石坝确定计算采用参数值。坝体计算剖面模型剖分单元5760个，结点5920个。河道之内坝体边界均为指定水头边界，底部为不透水边界。

3.2 模型计算工况

根据《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001中介绍的简化毕肖普法，坝坡抗滑稳定的最小安全系数，正常运用条件为1.25，非常运用条件下为1.15。土坝计算工况应考虑水库运行中的各种不利工况。计算工况具体如下：

(1) 水库正常蓄水位136.00m，下游相应水位89.00m；

(2) 水库校核洪水位139.10m，下游相应水位89.00m；

(3) 由于本工程设防地震烈度为Ⅶ，水平向设计地震加速度代表值为0.15g，需考虑地震对大坝稳定性的影响，故考虑水库正常蓄水位136.00m+地震作用，下游相应水位89.00m。

4 结果分析

4.1渗流稳定结果分析

本文根据实际观测资料，利用有限元二维有限元计算软件Geo-studio对大坝渗流及稳定性进行计算复核。表2是渗流计算结果表，结果表明，在水库加固前，主要存在以下问题：下游坡脚处在各种运行水位时出逸坡降均大于容许坡降。现在以正常蓄水位为例，如图2-3所示为加固前后坝体等势线图，计算得出加固前坝体单宽渗流量为26.45L/s，加固后有明显降低。校核工况及正常蓄水位+地震工况下结论类似。

　图2 水库加固前等势线图 图3 水库加固后等势线图

4.2 坝坡稳定结果分析

经过上面的分析可得该水库大坝未经加固前不满足要求，大坝偏于不安全。故必须考虑对大坝进行加固，考虑采用混凝土防渗墙方式。采用Ordinary法、Bishop法和Janpu计算得出下游坝坡在各种运行水位时最小安全系数如下表。该水库在正常蓄水位时适宜采用正常运用条件，边坡设计安全系数应该大于1.25，在校核水位时采用非正常运用条件Ⅰ，安全系数应该大于1.20，正常水位+地震时采用非正常运用条件Ⅱ，安全系数应该大于1.10。以正常蓄水位为例，从表3可以看出，在水库进行加固前，下游坝坡安全系数均在0.9左右，小于规范规定值；而加固后达到1.477，满足要求，加固后较加固前安全系数有了明显的增加，且满足要求，致使坝坡安全稳定，该方案可行。

5 结论

本文利用有限元计算软件对某水电站进行了渗流稳定及坝坡稳定的复核验算，从计算结果分析得出本水电站除险加固方案（混凝土防渗心墙）效果良好，在病险土石坝的截渗中起了重要作用，对土石坝稳定性具有重要作用。所以可以考虑将这种方法进行推广，为人民的生命财产安全提供更好的保障，创造更多的经济效益。

参考文献：

[1]孙继昌，中国的水库大坝安全管理[J].中国水利，2008，(20):10-14.

[2]杜二霞，均质土坝渗流有限元分析研究[D].保定：河北农业大学，2002．

[3]江春波、梁东方，堤防在交变水位作用下的二维渗流分析[J].水利水电技术，1999，30(5)．

[4]牛运光.国外几项士石坝防渗加固措施简介[J].大坝与安全，1997年(4):14～1 8.

[5]张家发.土坝饱和与非饱和稳定渗流场的有限元分析[J].长江科学院院报.1994，11(3):41一45.

[6]朱伯芳编著.有限单元法原理与应用[M].水利电力出版社，1979.

论文作者:姚春娟

论文发表刊物:《工程管理前沿》2020年1月第2期

论文发表时间:2020/4/22

标签：土石论文;  大坝论文;  水库论文;  下游论文;  安全系数论文;  稳定论文;  水位论文;  《工程管理前沿》2020年1月第2期论文;