山谷灰场土坝坝体及坝肩渗流分析

周成利，张全红

（山西省电力勘测设计院，山西 太原 030001）

1 灰场状况

1.1 工程概况

阳坡灰场是大唐太原第二热电厂（“太二”）的现役灰场，为水力除灰式山谷灰场。初期坝为碾压式带排水褥垫的均质土坝，坝顶高程1 008.00 m，坝高54.00 m，相应库容407.53万m3；采用逐级碾压粉煤灰加筑子坝（共3级）的方式加高灰坝，灰场最终标高为1 020.00 m，最终坝高66 m，相应库容为772.92万m3。按《火力发电厂灰渣筑坝设计技术规定》 （DL/T 5045—1995），灰坝设计标准定为二级，本区抗震设防烈度为8度。

阳坡灰场2004年10月投入运行，2008年加筑了第一级子坝，2010年加筑了第二级子坝，现准备加筑第三级子坝。为确保加筑三级子坝后灰场安全运行，对灰场进行了有限元渗流和稳定分析，本文主要介绍渗流分析部分。

1.2 地质和坝体初期概况

据灰场地质情况，坝址地段露出的地层中，1层、2-1层和2-2层不适宜作为水力贮灰坝的坝体持力层，必须挖除。5层、6-1层、6-2层为两坝肩较好的持力层，剥离溶蚀层后将坝体嵌入适当深度。7层为奥陶系石灰岩，为坝体良好的下卧层。3层湿陷性黄土（新近堆积黄土），坝址地段为Ⅱ级非自重湿陷性黄土和Ⅲ-Ⅳ级自重湿陷性黄土。其厚度较小，应全部挖除后作为坝料。4层湿陷性黄土在坝址地段主要分布于两侧坝肩，分为Ⅰ级非自重湿陷性黄土区和Ⅱ级非自重湿陷性黄土区，对于两侧坝肩下段的Ⅰ级非自重湿陷性黄土区，由于其厚度较小，在坝轴地段全部清除湿陷性黄土后，将坝肩嵌入Q2黄土（粉土） 或N2粉质粘土层中适当深度。针对上述情况对两坝肩上半部分的Ⅱ级非自重湿陷性黄土，采用了单液硅化法加固湿陷性黄土。

南坝肩区的小型冲沟、陡坎及坍塌很发育，地形为台阶状，地势较陡峭。南坝肩东侧20 m处为深约25 m的临空面，该临空面从坝基向南一直延伸至坝肩顶部后缘约30 m处，且局部呈继续坍塌状；南坝肩以西约50～60m处为一弧形黄土塌陷区，弧长约60 m，半径约30 m，塌陷深度为10～25 m左右，紧邻坝轴的坍塌区边缘3 m左右已发生宽约1.0～1.5 m的裂缝，裂缝深度大于10 m，该陡坎呈分层次继续坍塌状，对坝肩的渗流和边坡稳定性不利。为此，在初期设计时进行了帷幕灌浆防渗处理，防渗墙厚800 mm，帷幕灌浆延坝顶深入坝体内50 m左右，帷幕灌浆深度22 m。

为确定防渗帷幕的范围和深度，对该灰场的坝体和南坝肩进行了有限元渗流分析。

2 渗流有限元计算方法及计算结果分析

2.1 渗流计算

渗流计算的目的主要是为了求得浸润线位置、渗流量和孔隙水头或水力坡降。前者用于计算边坡稳定时确定饱和区和非饱和区及估计渠道的渗流损失，后者用于估计渗流对土体的破坏作用。求解渗流问题的数学方法有三种：近似方法或水力学方法，解析解法，数值解法。第一种方法是把渗流方程简化以后求解，比较简便实用，但只适用于均质土及简单的边界条件；第二种方法在20世纪50年代以前获得过迅速的发展，曾求得许多问题的精确解，但也只适用于理想化的简单情况；第三种方法虽然在早期就有人用差分法算过，但只有在1965年Zienkiewicz引入有限单元后才获得迅速发展。本文所述渗流计算采用二维平面有限单元法进行，按非稳定渗流考虑。以水头h为未知值，二维非稳定渗流场应满足定解方程。

其中Γ1为水头边界，Γ2为流量边界，微分方程的解答可归结为求泛函的极小值。

式（2）右端末项为第二类边界积分，经过取泛函极小值后，计算中即自动达成第二类边界条件，至于第一类边界条件，计算中直接赋予已知的边界水头值。式（2） 中kx、kz为土料水平向和垂直向的渗透系数。将计算区域进行离散，由式（2）经一系列推导即可得到渗流有限元分析支配方程。

在渗流计算时，由于自由面或者浸润面是未知的，因此计算域本身是未知的。本文计算时是把自由面以上的非饱和区和自由面以下的饱和区同时予以考虑，计算所得的零孔隙压力线即为自由面。具体计算时把渗流域分成非饱和的负压区、饱和的正压区和过渡区三部分，并把渗透系数随孔隙压力的变化简化成三段折线，假定负压区的渗透系数很小，等于饱和区的1/100，过渡区内的渗透系数随孔隙压力呈直线变化。由于过渡区内的渗透系数随孔隙压力而变，此项计算也要用迭代法进行。

图1—图5给出了坝体最大横剖面在不同工况下坝体内及南坝肩渗流等势线图。

图1 坝体最大横剖面贮灰至1 006.5 m高程时坝体内渗流等势线图

图2 子坝加高三级贮灰至1 018.5 m高程时坝体内渗流等势线图

图3 子坝退后50 m同时设置50 m干滩面贮灰至1 018.5 m高程时坝体内渗流等势线图

图4 子坝加高三级贮灰至1 018.5 m高程加排水盲沟后的坝体内渗流等势线图

图5 子坝退后50 m同时设置50 m干滩面后南坝肩渗流等势线图

从图1中可以看出，设计65 m长的排水棱体有效降低了初期坝体内的自由面。在加筑三级子坝后保持50 m干滩不采取任何措施时，浸润线将从子坝坡上溢出，不满足渗透稳定性要求（图2）。而将子坝后退50 m仍保持50 m干滩时，浸润线在子坝的坡脚溢出，仍不能满足渗透稳定性的要求（图3）。为保证子坝坝体内的自由面不从子坝上部渗出，在三级子坝的第一级子坝下方加排水盲沟并保持50 m的干滩面时有效地降低了浸润线（图4）。

2.2 测压管观测结果

为了验证库水位与测压管之间的关系，对初期坝体内设置的测压管观测的水位与灰库内的水位进行回归分析（见图6、图7）。

图6 太原第二热电厂阳坡沟测压管位布置示意图

图6为太二阳坡沟测压管位布置示意图，图7给出了测压管管水位的变化过程线。由测压管水位观测结果可见：除失效的5号、6号、9号、11号和13号5支测压管外，3号测压管的管水位虽与库水位也有一定的相关性，但其管水位明显偏低，观测结果可能不能反映真实情况，其余的7支测压管的管水位变化与灰面高程（库水位）变化均呈现出较好的相关性。

由图7可见，2号测压管的实测值[5]与反馈计算值相当接近，而8号测压管的计算值则小于实测值。

图7 灰面高程和测压管水位变化过程线

式中，ht为t时刻 （单位为d） 管水位；Ht-ni为tni时刻库水位，由于资料较少，本次取t，t-30，…，t-60时刻库水位分析；C0～Cn+3为回归系数；T为时效因子，自始测时间起的天数乘以0.01。

本次仅对资料较全的1号、2号、8号和12号管进行了统计分析，表1给出了本次统计分析的结果。其复相关系数达到0.99，表明各测点与库水位的相关程度较高，各点对滞后时间的响应不尽相同，离上游面越远，管水位滞后时间越长。一般来讲，三维渗流状态呈现河床部位自由面底，而两岸较高的特点，由于本次反馈分析是采用平面有限元进行的，因此河谷部位的计算值会小于岸坡部位的实测值。

2.3 测压管管水位与灰面高程（库水位）相关关系分析

土石坝渗流是自由面渗流，坝体内各点孔隙水压力主要与库水头、库水位升降速率有关。在库水位变化过程中，坝体内孔压水头的变化要滞后于库水位的变化，滞后时间的长短与坝体渗透性、该点距上游面的距离等因素有关。防渗体渗透系数越小，测点距上游面越远，滞后时间越长。本次分析考虑库水位变化因子、测点水位滞后因子、时效因子等对测点水位影响较大的因子，进行多因子逐步回归分析。分析模型为

表1 管水位统计分析结果

3 坝体及南坝肩防、排渗措施

为满足加高三级子坝后灰场的安全性，从图2—图4中可看出只有在一级子坝前设排水盲沟可满足要求。故在一级子坝前需设排水盲沟一条。排水盲沟宽6 m高2 m，沿子坝前通长设置。每隔100 m用1根DN250钢管，将盲沟中渗水引至下游排水明渠。

鉴于目前初期坝体裂缝较为严重，为尽量降低子坝加高对初期坝坝体应力变形的影响，将子坝退后50 m，这样处理后不会由于子坝加高使坝体产生新的裂缝或使现有裂缝进一步扩大，也能降低坝体内的浸润线。在设计上要求灰场运行时子坝上游保持50 m以上的干滩面，确保子坝的渗透稳定性。

子坝加高影响最大的另一因素是南坝肩的渗透稳定性。由于在目前的贮灰面高程下，因南坝肩山体比较薄弱，为防止渗透破坏需对其进行排渗和防渗处理，处理的方式为将南坝肩的上游坡整理成1∶1～1∶1.5的边坡，在整平的边坡面上用土工膜进行铺盖，土工膜上每隔2 m沿高度方向铺设直径为60 mm的软式排渗管。排渗管之间用碎石回填，厚度为0.2 m，排渗管底部连接到直径为100 mm的软式透水管，该透水管与一级前设置的排水盲沟连通，通过排水盲沟将渗水排到坝体下游。防渗墙可以有效降低坝肩内的浸润线，防止灰水从坝肩上部溢出，从而保证坝肩的渗透稳定性。

由于地质条件复杂，2005年11月巡视时发现该灰场南坝肩山体根部透水，库外一侧渗漏十分严重，且随着灰场贮灰面的上升，浸润线出逸点的位置有抬高的趋势，可能严重影响南坝肩的安全，除可能发生渗透破坏以外，土体的湿陷性也可能会导致山体的塌陷破坏。根据南坝肩的地形条件，为保持黄土坡的渗透稳定性，确保灰场能安全运行，采取如下工程措施：南坝肩旁边的1条冲沟，是排泄地表水及灰场渗出水的天然通道，必须保持畅通无阻,2005年底处理渗漏时在出口段修建了排渗反滤体，为了应对贮灰面抬高后渗流场的变化，将排渗反滤体向沟内进一步延伸；建立良好的完善的地表排水系统，在暴雨久雨的自然条件下，仍然只有少量的水渗入坝肩滑体内，而极大部分水从地表排泄；对南坝肩上部的渗透出逸点采取贴坡排水措施，对外坡进行整坡和培土加固处理。目前看来上述工程措施是实用有效的，初期坝和子坝的稳定性是有保障的。

4 结论

针对灰场工程地质条件，考虑不同工况下土坝坝体及坝肩内的渗流状态，采用二维平面有限单元法进行分析计算，进一步分析了坝体渗流可能存在的问题，评价坝体和坝肩的渗透稳定性；将后期子坝后移50 m，并增加子坝下排渗盲沟，保持干滩长度在合理范围内等多项坝体及坝肩的防、排渗措施，主动疏导水流，防止渗透水流从下游坝坡及坝肩出逸。上述工程措施已经得到了具体的实现，目前看来防、排渗措施是实用有效的，确保了子坝加高及整个灰场的安全运行。