灰坝加高条件下渗流与应力稳定分析

2016-03-23李景娟谢罗峰段祥宝

中国农村水利水电 2016年6期

李景娟，谢罗峰，段祥宝

(1.南京水利科学研究院，南京 210029；2. 河海大学水利水电学院，南京 210098；3. 水文水资源与水利工程科学国家重点试验室，南京 210029)

榆树沟灰场是山西省樟泽发电厂用于贮灰并利用粉煤灰淤地造田的山谷型灰场，机组除灰均采用水力除灰方式。灰场的工程规模为小(一)型灰场，工程等别为Ⅳ等，灰场属于永久性建筑物中的主要建筑物，工程等级为4级。初期坝于2007年年初投入运行，灰场初期库容105万m3，坝底高程895 m，坝顶高程920 m，坝长300 m，坝顶宽5 m。初期坝外坡坡度1∶2.75，内坡坡度1∶2.5，坝脚设堆石棱体，坝基设排水褥垫，上游坝面设贴坡反滤层，下游坝面设干砌石护面。初期坝坝体距下游村庄约320 m。自灰场运行以来，基本每年都加筑加高子坝，至2013年11月已加高至五级子坝，各级子坝均高为4 m，坝顶高程为935 m，现仍在运行中。运行7年时间，从未进行任何有关安全性评估工作。近年随着农村的扩建，坝体距民宅已不足300 m，为了下游居民的安全，有必要对灰坝进行应力变形和渗流安全分析，从而预测灰面高程增加的可行性。

1 地质概况与地震

灰场范围谷坡地层大部分为第四系上更新统(Q3)黄土(粉土)、中更新统(Q2)棕红色黄土(粉质黏土)，局部出露石炭系泥页岩与砂岩地层。泥页岩地层渗透系数较小，预测水力贮灰场运行后整体不会产生太大的渗漏。灰场范围内地下水为石炭系砂岩裂隙水和灰岩裂隙溶隙水，局部出露石炭系的灰岩，渗透系数较大，因出露面积局部分布于坝址区，为防渗可以用黏土铺垫或用水泥浆喷抹。地质剖面如图1所示。

该灰场的工程抗震设防类别为丁类。根据《中国地震动峰值加速度区划图》(GB18306-2001)，灰场地震动峰值加速度为0.10 g(对应地震烈度为Ⅶ度)，地震动反应谱特征周期0.40 s。

2 安全监测仪器布设及观测结果

根据规范要求结合灰场实际地形地质条件，在该灰场东侧稳定区域设有3个沉降基准点，5个位移基准点，8个位移观测点，沉降观测点均匀布设在位移观测点基础上，共计8个，坝顶部5个，下部马道3个，与东侧沉降基准点组成水准网形，2009年在子坝处又加了7个监测点。

图1 坝体最大断面0+150Fig.1 The most dangerous section 0+150 of the dam

从灰坝的7 a沉降观测可知，测点H4的总沉降量最大，累积沉降量为299.4 mm，其中年沉降量最大值为79.7 mm，是由于该年多雨季节导致整个坝体沉降量较之前几年明显加大，但是量值小，沉降趋于稳定。马道处的水平位移和沉降基本不变，位于坝顶的测点H5水平位移最大为16 mm，指向坝外，而H6、H7、H8水平位移最大为19 mm，指向库内，说明初期坝坝顶可能存在拉裂缝[1]。

3 渗流有限元计算分析

灰坝自运行以来，坝体坝基无明显渗漏。坝体前坝坡设混凝土护坡，同时由于风浪的冲刷，作为坝体的防渗体面板有个别断裂，表层的橡塑油膏脱落，嵌缝止水个别发生分离。现场查看坝后段情况可知，坝体渗漏量较小，在可控范围内。

由于在渗流计算时，坝体内自由面或浸润面未知，因此计算按非稳定渗流考虑，计算时将浸润面以上的非饱和区以及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浸润线。计算时对坝底排水褥垫及坝脚排水棱体的渗透系数根据以往经验选取，库内灰渣由于沉积容易形成渗透的各向异性，一般是水平向渗透系数大于垂直向渗透系数，参考试验结果及地质勘查资料选取(见表1)。

将计算结果与已有的测压管实测值进行对比(图2中已标出测压管实测值)，拟合情况与实测情况相近，误差在3%以内，说明该计算模型与参数的选取合理，可用该模型来预测子坝加高后的渗流安全性态。计算选取最大断面0+150(见图2和图3)。

表1 各土层物理力学参数Tab.1 The physical parameters of each soil layer

图2 0+150断面五级子坝等势线分布图Fig.2 The equipotential line of the 0+150 fifth stage dam

图3 0+150断面六级子坝等势线分布图Fig.3 The equipotential line of the 0+150 sixth stage dam

从0+150断面的流场可以看出，在无干滩运行条件下五级子坝内浸润线位置也不高，现场观测时也未见到坝体下游有渗水，而且坝脚排水棱体里的出渗量也较小，说明目前为止坝体渗流稳定是安全的。初期坝上游贴坡排水体与坝底排水褥垫的功能十分重要，对于降低坝体浸润线起着主导作用，因此在贮灰场的运行过程中，要确保上游贴坡排水与坝基排水褥垫及坡脚排水棱体有效的工作。由渗流计算结果可知，坝体下游渗透坡降小于允许渗透比降，五级子坝时单宽渗流量为5.6×10-5m3/(s·m)，加高至六级子坝时渗流量为5.5×10-5m3/(s·m)，差异不大。坝面高程继续增加时，可考虑在子坝前铺设一定长度的干滩，能有效降低贮灰区的浸润线，以防子坝下游坡大面积出逸[2]。

4 渗流作用下应力计算分析

将SEEP计算结果代入SIGMA中来分析体内应力分布规律与变形成因，根据现有的试验参数结果，结合变形监测资料，利用Geo-Studio SIGMA模块弹塑性模型，对土坝内部应力进行数值模拟计算[3]。

灰坝坝体内部有无裂缝产生可采用倾度法计算，设坝体某一平面上任意两点的总沉陷差为Δh，两点间的距离为ΔL，两者的比值为倾度d，即：

(1)

倾度d实质上是两点间的不均匀沉陷斜率。当倾度d大于A、B间土体的破坏临界倾度dc时，即表明在两点之间可能产生裂缝。经过国内几十座土石坝的调查分析，当倾度d小于1%时坝体不会产生裂缝，在1%～2%之间时坝体可能会有裂缝产生，大于2%时坝体会有裂缝产生[4]。

图4和图5给出了现状五级子坝及加高至六级子坝后的坝体内部变形分布，坝顶处水平变形一侧指向库内，一侧指向坝外，产生裂缝的可能性较大，根据倾度法可知，断面0+150目前最大倾度为0.34%，加高至六级子坝时最大倾度为0.79%，坝体不会产生裂缝，说明施工时对坝基的湿陷性黄土处理得比较彻底，上下游湿陷的时间与量值差异小，不均匀沉降小，不至于产生裂缝。

图4 五级子坝变形云图Fig.4 The deformation contour of the fifth stage dam

图5 六级子坝变形云图Fig.5 The deformation contour of the sixth stage dam

5 渗流作用下边坡稳定计算分析

5.1 静力稳定计算

贮灰场坝坡静力稳定分析采用简化毕肖普法。本次计算采用Geo-Studio SLOPE模块的等效线性模型，计算时将SEEP模块算得的孔隙水压力及浸润线等结果代入SLOPE模块来进行极限平衡抗滑稳定计算。

计算结果如表3所示，五级子坝在无干滩情况下正常运行的最小抗滑稳定系数为2.01，加高至六级子坝时最小抗滑稳定系数稍有降低为2.00，说明坝体目前是稳定的，不会出现整体滑动现象。

5.2 动力计算

动力计算根据《水工建筑物抗震设计规范》的要求采用拟静力法。拟静力法是将坝体各点地震动力作用所引起的惯性力作为静力作用在质点上计算抗滑稳定性，方法简单，但是难以反映土压力的分布和土体的动力特性。本次地震模拟采用Geo-Studio QUAKE模块，运用等效线性模型模拟出灰坝在地震前的初始应力状态，然后在动力分析中输入唐山迁安地震记录曲线，持续时间取振幅较大的10 s，计算时将其最大加速度调整到0.1 g，设计反应谱特征周期为0.4 s，只考虑水平方向的地震波作用[5](见图6)。

图6 地震加速度进程曲线Fig.6 Horizontal acceleration earthquake record

边界条件为：坝基底部水平、竖直方向均约束，坝基两侧竖直方向约束，正常蓄水位932.0 m。

由动力法对贮灰坝地震情况的模拟可知，地震引起的最大水平位移为48 mm，整个初期坝体发生液化的可能性不大，但是上游堆灰处密实度不足，在地震工况下孔隙水压力上升，土体有效应力降低，土体处于悬浮状态以至于变形增大，而地震引起的超静孔隙压力不能及时消散导致粉煤灰喷水冒沙产生液化，下游坝体坝基产生液化可能性不大[6](见图7和图8)。