土坝除险加固防渗方案必选研究

曹建宇

摘 要：本文基于笔者多年从事土坝防渗的相关研究，以土坝除险加固防渗为研究对象，论文首先探讨了除险加固的研究方法，进而比较了防渗方案，在此基础上，给出了大坝渗流计算和大坝坝坡抗滑稳定计算的结果，并进行了分析，全文是笔者工作实践基础上的理论升华，相信对从事相关工作的同行能有所裨益。

关键词：土坝 除险加固 防渗方案 坝坡稳定

中图分类号：TV697 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（b）-0050-02

随着一些土石坝的使用年限增加，加上长期以来管理不善，技术力量不足，致使不少水库堤坝出现了许多问题，如渗漏量过大、渗透破坏严重等。土石坝除险加固的重点在土石坝的防渗，土石坝的工程质量问题主要是渗漏、滑坡和裂缝。土石坝的渗漏、滑坡和裂缝问题中，滑坡和裂缝的产生很多也与渗漏有关。所以，在除险加固过程中，防渗最为重要。而国内外普遍使用的土石坝防渗加固技术主要有回填粘土防渗斜墙、冲抓套井回填粘土防渗心墙、高压喷射灌浆、粘土劈裂灌浆、射水造常态混凝土防渗心墙及土工膜防渗等。土石坝的防渗体形式除应满足工程地质条件、施工条件、坝体构造要求和土料性质等条件外，还应满足下列渗流条件：（1）渗流量不超过允许渗流量；（2）心墙下游坡的逸出坡降不超过允许坡降。因各种防渗措施的耐久性、可靠性、经济合理性等差异，实际中小型土坝加固施工常选用冲抓套井粘土心墙与粘土防渗斜墙进行方案比选。

因此本文主要对土坝除险加固中冲抓套井粘土心墙与粘土防渗斜墙防渗措施的渗流和稳定计算进行研究，着重分析防渗墙位置和厚度变化对大坝渗流以及稳定的影响规律，为工程设计提供参考依据。

1 研究目的

土石坝的坝型很多，如均质坝、薄心墙坝、薄斜墙坝、厚心墙坝、厚斜墙坝、斜心墙坝等。而坝体防渗结构形式—— 土斜墙和土心墙厚度的选择主要由以下几种因素确定：（1）填筑土料的安全渗透系数；（2）坝坡稳定性要求；（3）心墙的边坡；（4）施工要求等。目前，土石坝除险加固防渗方案的选择一般是凭经验，或者只进行简单的经济技术比较。不当的方案不仅造成资金浪费，还挫伤了除险加固的积极性。因此有必要从理论计算方面了解防渗体形式和位置对大坝除险加固工程渗流稳定的影响。本文拟以工程实际为背景，研究不同心墙尺寸（即厚度）、心墙位置（即垂直心墙和上游的斜墙）下的坝体渗流稳定规律，计算不同防渗体形式下的坝体渗流量、坝坡稳定系数、心墙下游面逸出高度、坝体下游逸出高度，以期选择更好的加固防渗方案，发挥工程效益，节省加固投资。

2 研究方法

为了分析起见，根据工程实例选择江西鄱阳县地区的某一加固土石坝，拟将原均质土坝设计为最大坝高12.8 m，其中上游坝坡坝高8 m高程以上平整至1∶2.50，以下为1∶3.00；下游坡平整至1∶2.75，并增设贴坡排水的具有防渗体的非均质土坝，该大坝为4级建筑物，水库校核洪水位为11.33 m。

2.1 计算工况、计算方法及计算参数的确定

分析中大坝的土料特性指标采用实测材料的特性指标（见表1）。稳定渗流期下游坡稳定计算采用有效应力法，土层参数选用c′、φ′指标。库水位非常降落时上游坡稳定计算采用总应力法，其中总应力法土层参数选用c、φ指标。由于篇幅有限我们仅给出最不利情况：渗流计算考虑水库运行时上游为校核洪水位与下游相应的最低水位的水位组合情况；大坝坝坡抗滑稳定计算考虑稳定渗流期时上游为校核洪水位形成的上游和下游坝坡稳定，非稳定渗流期的最不利组合—— 库水位下降工况和上升工况上游面坝坡稳定性分析。

2.2 防渗方案比选

根据工程特点和我国现阶段土石坝防渗加固处理方法以及施工工艺，本次初步设计拟采用以下方案进行比较。方案一到方案四均为冲抓套井回填粘土心墙方案。

方案一具体为：沿坝轴线处布置一排钻孔，利用冲抓锥取土造井，再向套井内分层回填粘土（层厚25～30 cm），由钻机的动力和卷扬设备带动夯锤加以夯实，形成一道连续的粘土防渗墙。墙顶高程11.83 m（高于校核洪水位0.50 m），墙底部至基岩面，墙体有效厚度0.80 m，最大墙高14.20 m。

方案二是在方案一的基础上布置成两排钻孔，墙体有效厚度1.576 m，其他不变。

方案三是将方案一防渗心墙沿坝轴线上游侧平移3 m，墙体有效厚度仍然为 0.80 m，其他不变；方案四是将方案二防渗心墙沿坝轴线上游侧平移3 m，墙体有效厚度为1.576 m，其他不变。

方案五为粘土斜墙方案：在大坝上游面清除表层杂草和护坡体，加设粘土斜墙防渗，底部清至基岩面设置坝基粘土截水槽。斜墙顶部高程11.83 m（高于校核洪水位0.50 m），顶宽3.0 m，底部厚度3.50 m（大于1/5的水头）。

3 计算结果与分析

加固后有限元计算模型见图1。

3.1 大坝渗流计算

对于大坝稳定渗流（校核工况）采用了SEEP/W和理正岩土渗流软件分别进行了计算。计算结果见表1和图2。

综合分析以上稳定渗流计算结果，可以看出以下几点。

（1）所取防渗墙越厚，大坝总渗流量越小，所取的断面处渗流量也越小，出逸点位置水头亦越低，防渗效果越好。（2）防渗墙越靠近上游，大坝总渗流量越小，所取断面处渗流量也越小，出逸点位置水头亦越低，防渗效果越好。（3）在降低总渗流量和出逸点位置中，增加防渗墙厚度所取得的效果比向上游平移防渗墙的效果要好。从总渗流量和出逸点位置的优势来看，5种方案优先选用次序为：方案五、方案四、方案二、方案三、方案一。

3.2 大坝坝坡抗滑稳定计算

坝坡抗滑稳定计算中，为了进行上游坝坡的稳定性分析，进行了不稳定渗流计算。库水位降落时考虑最不利工况，即当水库大坝出现险情，溢洪道和灌溉涵管同时满负荷泄洪，水位从校核洪水位降至水库死水位。水库水位上升时仍按最不利工况，即水位从死水位上升至校核洪水位。计算结果见表2。表2给出了上下游坝坡在校核洪水位形成稳定渗流时的最小安全系数。endprint

尽管理正边坡稳定分析软件给出的上游最小安全系数几个方案之间变化不大，但对于下游最小安全系数以及SLOPE/W给出的上游最小安全系数依然明显表现出防渗墙越厚、防渗墙越靠近上游坝坡越安全的规律。

图3给出了大坝在库水位下降和上升时各方案的上游坝坡的稳定计算结果。

可以看出以下规律：

（1）随着水位的下降，上游边坡安全系数逐渐下降直至探底，然后会出现小幅度的上升。之所以出现探底主要是因为该水库实际10 d就可以完成从校核水位（11.33 m）降至死水位（1.3 m），在这期间库水位虽然下降但坝体内的孔隙水压力还没有来得及消散，自由面在初期变化时坝体内的水会向上游产生“倒流”现象，故而坝坡稳定性下降很快。当上游水位降到某一确定的水位，坝体内的孔隙水压力已逐渐消散时坝坡逐步变为干坡，此时各个方案的坝坡稳定性便很接近了。（2）上游水位上升时，上游边坡的安全系数是逐渐上升的。这是由于水位上升时，上游面坝坡存在坡外水体压力作用，有利安全。（3）无论水位上升还是水位下降，上游坝坡的稳定性均表现出防渗墙越厚、防渗墙越靠近上游坝坡越安全的规律。

4 结论与展望

通过结合工程实际，利用有限单元法对不同位置和不同厚度防渗墙的土石坝进行渗流计算，得出采用防渗墙防渗的最佳方案。即防渗墙位置越靠近上游坝基，防渗效果越好；防渗墙设置越厚，防渗效果越好。该结论作者认为是很重要的。但对于具体的工程而言，由于工程地质条件复杂，且受施工条件的限制，再加上经济方面的考虑，不可能全部采用防渗墙在坝基最上游和防渗墙最厚的方案，但是可以在满足地质、施工和经济的条件下，把防渗墙尽量设置在靠坝基上游的位置和尽量选取较厚的防渗墙来防渗。对于新建造设计的土坝，防渗墙的位置和厚度往往不只局限于文中给出的选择方案，因此基于满足坝坡的稳定标准和渗流量的控制，就安全因数更好地均衡和最小的坝体体积而论，还可以尝试着改变垂直心墙的坡度以及倾斜度，进一步深入研究来比选出更优的设计方案来。

参考文献

[1] 熊政，何蕴龙，等.ADINA软件在土石坝渗流场计算中的应用[J].西北水力发电，2006（1）.

[2] 滕万军，潘多助，李丽娟，等.西泉眼水库土坝粘土心墙防渗效果分析[J]. 水利科技与经济，2003（1）.

[3] 赵琳，宓永宁，冯琳，等.土石坝渗流分析与自动化观测软件研究[J].沈阳农业大学学报，2004（21）.endprint

尽管理正边坡稳定分析软件给出的上游最小安全系数几个方案之间变化不大，但对于下游最小安全系数以及SLOPE/W给出的上游最小安全系数依然明显表现出防渗墙越厚、防渗墙越靠近上游坝坡越安全的规律。

图3给出了大坝在库水位下降和上升时各方案的上游坝坡的稳定计算结果。

可以看出以下规律：

（1）随着水位的下降，上游边坡安全系数逐渐下降直至探底，然后会出现小幅度的上升。之所以出现探底主要是因为该水库实际10 d就可以完成从校核水位（11.33 m）降至死水位（1.3 m），在这期间库水位虽然下降但坝体内的孔隙水压力还没有来得及消散，自由面在初期变化时坝体内的水会向上游产生“倒流”现象，故而坝坡稳定性下降很快。当上游水位降到某一确定的水位，坝体内的孔隙水压力已逐渐消散时坝坡逐步变为干坡，此时各个方案的坝坡稳定性便很接近了。（2）上游水位上升时，上游边坡的安全系数是逐渐上升的。这是由于水位上升时，上游面坝坡存在坡外水体压力作用，有利安全。（3）无论水位上升还是水位下降，上游坝坡的稳定性均表现出防渗墙越厚、防渗墙越靠近上游坝坡越安全的规律。

4 结论与展望

通过结合工程实际，利用有限单元法对不同位置和不同厚度防渗墙的土石坝进行渗流计算，得出采用防渗墙防渗的最佳方案。即防渗墙位置越靠近上游坝基，防渗效果越好；防渗墙设置越厚，防渗效果越好。该结论作者认为是很重要的。但对于具体的工程而言，由于工程地质条件复杂，且受施工条件的限制，再加上经济方面的考虑，不可能全部采用防渗墙在坝基最上游和防渗墙最厚的方案，但是可以在满足地质、施工和经济的条件下，把防渗墙尽量设置在靠坝基上游的位置和尽量选取较厚的防渗墙来防渗。对于新建造设计的土坝，防渗墙的位置和厚度往往不只局限于文中给出的选择方案，因此基于满足坝坡的稳定标准和渗流量的控制，就安全因数更好地均衡和最小的坝体体积而论，还可以尝试着改变垂直心墙的坡度以及倾斜度，进一步深入研究来比选出更优的设计方案来。

参考文献

[1] 熊政，何蕴龙，等.ADINA软件在土石坝渗流场计算中的应用[J].西北水力发电，2006（1）.

[2] 滕万军，潘多助，李丽娟，等.西泉眼水库土坝粘土心墙防渗效果分析[J]. 水利科技与经济，2003（1）.

[3] 赵琳，宓永宁，冯琳，等.土石坝渗流分析与自动化观测软件研究[J].沈阳农业大学学报，2004（21）.endprint

尽管理正边坡稳定分析软件给出的上游最小安全系数几个方案之间变化不大，但对于下游最小安全系数以及SLOPE/W给出的上游最小安全系数依然明显表现出防渗墙越厚、防渗墙越靠近上游坝坡越安全的规律。

图3给出了大坝在库水位下降和上升时各方案的上游坝坡的稳定计算结果。

可以看出以下规律：

（1）随着水位的下降，上游边坡安全系数逐渐下降直至探底，然后会出现小幅度的上升。之所以出现探底主要是因为该水库实际10 d就可以完成从校核水位（11.33 m）降至死水位（1.3 m），在这期间库水位虽然下降但坝体内的孔隙水压力还没有来得及消散，自由面在初期变化时坝体内的水会向上游产生“倒流”现象，故而坝坡稳定性下降很快。当上游水位降到某一确定的水位，坝体内的孔隙水压力已逐渐消散时坝坡逐步变为干坡，此时各个方案的坝坡稳定性便很接近了。（2）上游水位上升时，上游边坡的安全系数是逐渐上升的。这是由于水位上升时，上游面坝坡存在坡外水体压力作用，有利安全。（3）无论水位上升还是水位下降，上游坝坡的稳定性均表现出防渗墙越厚、防渗墙越靠近上游坝坡越安全的规律。

4 结论与展望

通过结合工程实际，利用有限单元法对不同位置和不同厚度防渗墙的土石坝进行渗流计算，得出采用防渗墙防渗的最佳方案。即防渗墙位置越靠近上游坝基，防渗效果越好；防渗墙设置越厚，防渗效果越好。该结论作者认为是很重要的。但对于具体的工程而言，由于工程地质条件复杂，且受施工条件的限制，再加上经济方面的考虑，不可能全部采用防渗墙在坝基最上游和防渗墙最厚的方案，但是可以在满足地质、施工和经济的条件下，把防渗墙尽量设置在靠坝基上游的位置和尽量选取较厚的防渗墙来防渗。对于新建造设计的土坝，防渗墙的位置和厚度往往不只局限于文中给出的选择方案，因此基于满足坝坡的稳定标准和渗流量的控制，就安全因数更好地均衡和最小的坝体体积而论，还可以尝试着改变垂直心墙的坡度以及倾斜度，进一步深入研究来比选出更优的设计方案来。

参考文献

[1] 熊政，何蕴龙，等.ADINA软件在土石坝渗流场计算中的应用[J].西北水力发电，2006（1）.

[2] 滕万军，潘多助，李丽娟，等.西泉眼水库土坝粘土心墙防渗效果分析[J]. 水利科技与经济，2003（1）.

[3] 赵琳，宓永宁，冯琳，等.土石坝渗流分析与自动化观测软件研究[J].沈阳农业大学学报，2004（21）.endprint