不同加高方案土石坝渗流及稳定性分析

吴建平

（鹰潭市水利电力勘测设计院，江西鹰潭335000）

0 引言

水资源不合理的开发和利用，造成了我国适合建坝的坝址越来越少，由于水库淤积的作用，已建的大坝越来越不能满足实际需求，大坝加高成为未来大坝建设的重要工程，大坝加高方案的选择对坝体的稳定性极为关键[1-6]。

许多研究及统计资料表明，影响库岸边坡稳定性失稳破坏的重要因素是地下水。地下水的渗流作用会影响边坡内的渗流场变化，并随之影响岸坡的稳定性[7-9]。为了确定浸润面位置，众多学者采用解析方法对其进行了研究，目前多采用数值模拟方法对其进行工程计算[10-11]。

本文对土石坝采用3种不同的加高方式（骑马式、上游贴坡式、下游贴坡式），利用极限平衡法，对坝体进行渗流和稳定性分析。

1 基本渗流理论

地下水的流动可以通过达西定律进行描述[9]，在x-y平面上可以写成：

其中，总水头 μ可以写成：

式中：μ为总水头值；y为竖直高度；p为孔隙水压力；γW为水的重度。

除此之外，还定义了一个孔隙水压力水头μp：

当进行瞬态分析时，其连续性方程为：

式中：kx，ky分别为土体x，y方向的渗透系数；Q为边界流量；t为试件参数。

有效容量c和渗透系数张量K的表达式为：

式中：csat为饱和容量；n为孔隙率；S为渗透面面积；krel为渗透率。

2 模型的建立及模型参数

某库岸由于该处淤泥土比较丰富，导致库内淤积十分严重，实测淤泥厚度达到15 m，水库调控能力急剧减小，急需对坝坡进行处理。对研究区勘察资料进行整理，选取坝坡的某个典型断面进行分析，对坡面进行适当简化，图1为坝坡断面结构图。

图1 坝体地质剖面图

由于实地清淤困难，需要对原坝体进行加高处理，拟采用几种不同的方案对原坝坡进行加高，依据相关试验以及规范[12]，对岩土体相关物理参数进行经验取值，表1为坝坡相关的物理力学参数。

表1 坡体相关物理力学参数

3 坝本加高方案

3.1 骑马式加高

骑马式加高方式是在原坝体两侧填筑新土体，以达到加高坝坡的目的，图2为骑马式加高坝坡示意图。

图2 骑马式加高示意图

水库的正常蓄水位为30 m，设计洪水位为35 m，校核洪水位为40 m，针对3种不同的水位工况，利用极限平衡法软件Slide2对其进行渗流和稳定性分析。图3为骑马式加高坝体模型示意图。

图3 骑马式加高坝体模型示意图

对不同水位情况下的坝体进行渗流分析，图4为骑马式加高坝体浸润线位置图。

图4 骑马式加高坝体浸润线位置图

从图4中可以看出，采用骑马式加高方式加高坝体后，坝体的浸润线随着水位的升高，浸润线越高；坝体加高后，在正常蓄水位情况下，加高坝体后的浸润线要低于原坝体的侵润线，这是因为加高坝体的渗透系数要大于原坝体，且在正常蓄水位情况下渗流路径越长，浸润线越低。利用极限平衡法计算3种不同水位作用下的坝体安全系数，骑马式加高坝体计算结果见表2。

表2 3种方案加高坝体计算结果m

从表2中可以看出，原坝体在采用骑马式加高坝体后，在同一蓄水位下，坝体的安全系数明显增加，但在校核洪水位下，加高后的坝坡稳定性很差，对于原坝体较陡时，一般不建议采用骑马式加高方式加高坝坡。本文选用此模型，是对相同蓄水位在3种不同加高方式下的坝体做对比，说明3种不同加高方式的优缺点。

3.2 下游贴坡式加高

下游贴坡式加高方式是在下游坝体侧填筑新土体，以达到加高坝坡的目的，图5为下游贴坡式加高坝坡示意图。

图5 下游贴坡式加高示意图

对不同水位情况下的坝体进行渗流分析，图6为下游贴坡式加高坝体浸润线位置图。

图6 下游贴坡式加高坝体浸润线位置图

从图6中可以看出，当坝体采用下游贴坡式加高坝体时，在正常蓄水位情况下，坝体的浸润线相比于原坝体的浸润线更低，一方面是因为加高坝体的渗透系数比原坝体的渗透系数更低，二是因为在正常蓄水位情况下渗流路径越长；采用下游贴坡式加高坝体时，坝体的浸润线相比于骑马式加高坝体的浸润线更低，这主要是因为加高坝体的渗透系数要小于原坝体，库水首先在加高坝体中发生渗流，之后在原坝体中发生渗流，加高坝体在阻碍水的渗流作用方面发挥了充分的作用，因此其浸润线更低。利用极限平衡法计算3种不同水位作用下的坝体安全系数，下游贴坡式加高坝体计算结果见表2。

从表2可以看出，原坝体在采用下游贴坡式加高坝体后，在同一蓄水位下，坝体的安全系数明显增加，在3种不同水位下，采用下游贴坡式加高后的坝坡稳定性也满足相关规范要求。但是，采用下游贴坡式加高坝体时，施工上比较困难，首先要对淤泥地基进行处理，提高施工区域淤泥地基土的抗剪强度，降低土的渗透性，提高地基土的稳定性，处理好地基土的沉降问题，使得地基的沉降在施工允许的范围之内。加高坝体在施工的过程中，应该采用分级加荷的方式，控制好施工的进度，减少每一回次的填筑厚度，逐层加高，逐次施加荷载，合理地安排施工工序提高地基土的稳定性。在施工过程中也要做好防排水，做到防排结合，减少施工过程中水的渗漏，防止水的渗流对淤泥土地基造成破坏。

3.3 上游贴坡式加高

上游贴坡式加高方式是在上游坝体侧淤泥土上填筑新土体，以达到加高坝坡的目的，图7为上游贴坡式加高坝坡示意图。

对不同水位情况下的坝体进行渗流分析，图8为上游贴坡式加高坝体浸润线位置图。

图7 上游贴坡式加高示意图

图8 上游贴坡式加高坝体浸润线位置图

从图8可以看出，当坝体采用上游贴坡式加高时，在正常蓄水位情况下，相比于原坝体，坡体的浸润线在原坝体中无差异，但在加高坝体中，由于加高坝体的渗透系数比原坝体的渗透系数更低，其浸润线降低明显；相比于骑马式和上游贴坡式两种加高坝体方式，采用下游贴坡式加高坝体时，坝体中浸润线位置降低较少，水在原坝体中渗流时，其浸润线位移无明显差异，但水在加高坝体中渗流时，由于加高坝体在阻碍水的渗流作用方面发挥了充分的作用，因此其浸润线更低。利用极限平衡法计算3种不同水位作用下的坝体安全系数，上游贴坡式加高坝体计算结果见表2。

从表2可以看出，原坝体在采用上游贴坡式加高坝体后，在同一蓄水位下，加高后的下游坝体的安全系数明显增加，但上游坝体安全系数变化不明显。在3种不同水位下，采用上游贴坡式加高后的坝坡稳定性基本满足相关规范要求。

4 对比分析

4.1 土方量对比

对不同加高方式坝体的横断面进行分析，选取1 m长度的土坝为研究对象，计算3种不同加高方式下所需的土石坝方量：骑马式加高为971.81 m3，上游贴坡式加高为1 276.03 m3，下游贴坡式加高为1 543.41 m3。从土方量方面考虑，采用骑马式加高坝体最具优势。

4.2 施工难度对比

上游贴坡式加高坝体时，首先要对淤泥地基进行处理，可以采用常用的地基处理方法（如换土垫层法、预压砂井法等）对淤泥土进行处理，提高施工区域淤泥地基土的抗剪强度，降低土的渗透性，提高地基土的稳定性，处理好地基土的沉降问题，使得地基的沉降在施工允许的范围之内。

下游贴坡式加高方式的难度最小，不需要考虑淤泥土的处理问题，但采用下游贴坡式加高坝体时，需要设置排水设施，做到防排结合，防止排水失效对土坝的稳定性造成问题。

骑马式加高坝体施工难度在上面两者之间，主要问题时在施工时对原土石坝上表面进行处理。

4.3 实用条件对比

下游贴坡式加高坝体方式适用条件最为广泛，在背水面进行施工，无需考虑淤泥土等问题，不受水位的影响，地基处理起来也比较方便。

上游贴坡式加高坝体方式适用性也较广，但是其施工条件受水位的影响，并且如果淤泥土的性质发生改变，坝坡的稳定性将受到一些。

骑马式加高方式适用范围较窄，骑马式加高方式主要适用于坡率较缓的坝体，而本文中的库底集聚了大量的淤泥，而填筑土的位置应在淤泥土之上，这使得骑马式加高坝体对提高坝体稳定性增加了难度。

综上所述，采用上游贴坡式加高坝体时，坝体浸润线下降最多，坝体安全系数最大，但是其施工难度最大，所需要的土石量适中；采用下游贴坡式加高坝体时，施工难度最小，所需要的土石方量最大，坡体浸润线下降相对较少，坡体安全系数相对最小；采用骑马式加高方式时，所需要的土石方量最少，施工难度适中，坝体浸润线下降介于上述两者之间。