某土石坝加固设计与有限元计算研究

李 栋

(吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130021)

我国部分水库大坝修建于20个世纪50年代，年久失修，继续养护维护。吉林省某水库大坝坝顶高低不平；上游坝坡干砌块石护坡风化破损，坝面多处沉陷，凹凸不平，杂草丛生；大坝右侧部分坝坡无干砌块石护坡。坝体土黏粒含量、压实度不满足相关规范要求，该水库大坝安全技术认定中防洪安全性为C级，坝体渗流安全性为C级，结构稳定安全性为B级。大坝安全认定专家组认为，鉴于大坝目前存在的问题，将大坝安全类别定为三类坝，因此亟需对其进行稳定复核与加固设计。

1 水工建筑物设计

1.1 工程等级和设计标准

依据原有设施的设计规模，经根据SL252- 2017《水利水电工程等级划分及洪水标准》的规定复核，规模为小(2)型，工程等别为Ⅴ等，主要建筑物挡水坝、抽水涵管、放水涵管级别为5级，次要建筑物、临时建筑物为5级。洪水标准按30年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核[1]。

1.2 坝顶高程计算

按SL252- 2000和SL274- 2001《碾压式土石坝设计规范》要求，坝顶超高由设计波浪爬高、设计风壅水面高度和安全加高值组成，见表1。坝顶超高按下列公式计算：

Y=R+e+A

(1)

式中，Y—堤顶超高，m；R—设计波浪爬高，m；e—设计风壅水面高度，m；A—安全加高值，m。

表1坝顶超高计算成果表(正常蓄水位工况下) 单位：m

项目设计波浪爬高设计风雍水面高度安全加高坝顶超高数值0.180.00030.50.68

根据计算成果，选取堤防的堤顶超高数值为0.68m，取坝顶高程为408.0m。

1.3 护坡厚度计算

对重建护坡进行计算，按SL274- 2001的有关公式计算(块石在最大局部波压下所需的换算直径、质量、平均粒径、平均质量和护坡厚度)[2- 4]：

(2)

Q=0.85Q50=0.525ρkD3

(3)

(4)

式中，D—石块换算成球形的直径，m；D50—石块的平均粒径，m；Q—石块的质量，t；Q50—石块的平均质量，t。

经计算，大坝护坡所需要护坡厚度为0.32m。

1.4 抗滑计算

根据SL274- 2001，圆弧滑动稳定可按如下公式计算。

(1)瑞典条分法

K= ∑{[(W±V)cosα-ubsecα-Qsinα]tanφ′+

c′bseaα}/∑[(W±V)sinα+Mc/R]

(5)

表2 坝体抗滑稳定计算成果

(2)简化毕肖普法

K= ∑{[(W±V)seaα-ubsecα]tanφ′+c′bseaα}[1/(1+tanαtanφ′/K)]/ ∑[(W±V)sinα+Mc/R]

(6)

根据SL274- 2001规定，并结合坝体的具体情况，计算分析水库稳定渗流期的上、下游坝坡的抗滑稳定情况，见表2。

经过计算，可以确定土石坝抗滑稳定计算满足规范要求[5]。

2 坝体渗流稳定计算分析

本次计算采用GTS NX有限元软件对坝体施工阶段渗流分析与满水位骤降时的坝坡稳定性分析。本次计算按照边界条件同时给予时间变化的瞬态流分析。由于实际施工与运行中土石坝内部土体是非饱和状态，这时根据含水率和孔隙率，渗流达到稳定渗流状态的时间上有很大差异，因此需要对其进行瞬态渗流分析[6- 8]。

非稳态下渗流计算表示为：

式中，Q—土单位体积上单位时间内的释水量；Θ—体积含水率。

对坝体进行建模分析，简化后坝体典型断面有限元网格剖分如图1所示。

图1 简化后大坝断面有限元网格剖分图

如图2～4所示水位发生骤降，但可以确认坝体上部的全水头约维持在16m。这是因为与岩土内渗流速度相比外部水位下降速度相对快的原因。在水位骤降以后将发生堤外侧上的向下流动。为了确保基于渗流的坝体稳定性，一般核心部分利用透水性非常低的材料，所以在水位骤降以后坝体的堤外侧可能会变得不稳定。

渗透主要发生在坝体上游处，渗透量较小，不会影响坝体安全。沿坝体上游至下游方向，渗透量逐渐减小，且不存在绕坝渗流的情况[9]。

由渗流-应力耦合分析结果，初期满水位时，因堤外侧地表面上作用的静水压剧减，随着时间变化堤外侧上集中了更多的变形。图2～4所示结果是最终阶段上坝坡的水平位移和剪切变形结果，可以看出应力集中区主要位于心墙处[10]。

图2 水位下降6m，大坝渗流分布图

图3 校核水位下坝体渗流分布图

图4 大坝应力分布图

3 加固处理

3.1 护坡加固处理

根据实地勘测，大坝护坡损毁较为严重，需要对其进行修复加固处理。本次加固采用浆砌块石护坡形式。拆除现状大坝干砌块石护坡，将坡面整平后，铺设反滤垫层(自下而上)中粗砂5cm，15～20mm粒径碎石厚8cm，20～30mm粒径碎石厚100cm；垫层表面铺设浆砌块石护坡，护坡厚0.5m，护坡坡面设φ0.05m排水孔，孔距5m，梅花形布置。将原护坡满足要求的部分块石加以利用。

方案1：浆砌块石护坡厚度的计算公式同上文，浆砌块石密度取2.5t/m3。采用SL274- 2001的有关公式计算：

(8)

式中，Lm—平均波长；hp—累计频率为1%的波高；b—沿坝坡坡向板长，m；ρc—板的密度，t/m3。

经计算得，大坝护坡厚度为0.17m。

3.2 防渗处理

采用套井回填+水泥防渗灌浆对大坝进行防渗综合处理。套井回填黏土防渗墙即利用冲抓式打井机具，在土坝上造井，用黏土料分层回填夯实，形成一连续的套接黏土防渗墙，截断渗流通道，起到防渗的作用。

根据地质勘查成果，坝体土主要为含砂粉质黏土，填筑质量较差，现场注水试验渗透系数K=2.17×10-4～2.41×10-3cm/s，属中等透水性。因此，本次设计初步考虑单排套井回填黏土防渗墙处理。

防渗墙要求有效厚度计算如下：

T≥△H/J

(9)

式中，T—计算防渗墙要求有效厚度，m；H—防渗墙承担的最大水头，根据渗流计算结果：△H=2.1m；J—防渗墙允许渗透比降，本次设计取J=10。则防渗墙要求有效厚度T≥2.1/10=0.21m。

本次设计1.1m冲抓钻机成孔，孔距0.8m，理论有效厚度0.75m>0.21m。因此本次设计采用单排套井，孔径1.1m，孔距0.8m。

因此本次设计暂考虑大坝左岸坡段采用水泥防渗灌浆，沿坝轴线总长约104m。左岸坡段(坝0+081.00延伸至左岸山体侧)防渗底部深入相对不透水层(≤10Lu)5m。实际施工时，对灌浆的先导孔应进行简易压水试验。

4 结语

本文某土石坝进行加固设计与有限元复核研究，根据相关规范，并结合工程实际确定了治理工程的范围，计算得到坝体安全超高，与护坡厚度，抗滑系数均满足规范要求。

采用GTS有限元计算软件建模分析了坝体渗流状态与应力分布，渗透主要发生在坝体上游处，渗透量较小，不会影响坝体安全。沿坝体上游至下游方向，渗透量逐渐减小，且不存在绕坝渗流的情况。由渗流-应力耦合分析结果，初期满水位时，因堤外侧地表面上作用的静水压剧减，随着时间变化堤外侧上集中了更多的变形。应力集中区主要位于心墙处。算结果表明渗流量较小，应力集中区位于心墙处。最后对该水库提出了加固处理措施，大坝护坡厚度为0.17m。