反滤土工布淤堵对土坝渗流稳定影响分析

朱积军，简鸿福，吕 辉

(1.丰城市丰东灌区管理局,江西 丰城 331100；2.江西省水利科学研究院,江西 南昌 330029)

土工布是一种人工合成材料，质轻、抗拉强度高、方便耐用、成本低[1- 3]，因其良好的水力特性被广泛应用于水利工程排水和反滤设施中，理想的反滤土工布在保证透水的前提下，能够防止土颗粒的过度流失、造成管涌或流土现象[4- 5]。目前，土工布在不少工程的大坝防渗、排水反滤、防汛抢险、边坡水土保持中发挥了积极的作用[6]。

土工布保土性、透水性和抗淤堵性的能力不同，在工程实例中如果没有综合考虑被保护土的渗透特性和粒径分布特征，使用后可能发生土工布淤堵，致使反滤排水效果下降，对土坝渗流稳定造成不良影响。本文介绍了某水库在除险加固中大坝排水棱体前铺设了一层土工布，运行数年后坝体下游水位逐年抬升，溢出点已高出棱体顶的实例，采用Geostudio软件，计算分析了该土坝在土工布淤堵前后的渗透稳定性，结果表明反滤土工布发生淤堵后对土坝的渗流稳定有不利影响[7- 8]，并在此基础上提出了土工布的选择原则，为工程加固处理提供理论依据。

1 工程概况

某水库位于鄱阳湖环湖区水系，由于坝体填筑质量差，坝身、坝基渗漏严重，下游坡抗滑稳定不满足规范要求，2006年进行除险加固时采用塑性混凝土防渗墙结合帷幕灌浆对坝体、坝基进行防渗，翻修下游排水棱体，并在排水棱体前与坝体土结合部位铺设了一层反滤土工布，运行数年后大坝下游棱体顶至以上4m高的区域出现大面积湿润、散浸现象，采用钻孔方式将土工布打穿，当时散浸现象消失，但数年后散浸现象又反复出现。

2 坝体结构及岩土参数

大坝为均质土坝(上一次除险加固中在坝轴线偏上游侧3m处设塑性混凝土防渗墙，墙厚0.6m，墙底入基岩0.5m)，坝高36m，坝顶宽度6.0m；上游坡在坝顶以下12.22m处设2m宽马道，自上而下坡度分别为1∶3.23、1∶4.14；下游坡在坝顶以下15.46m处设马道，自上而下坡度分别为1∶2.52、1∶2.67；下游坝脚设排水棱体，反滤过渡层的砂卵石层之间设土工布；坝基主要由第四系松散岩层及花岗斑岩组成，坝基上部主要由壤土、砂卵石组成。土坝计算断面及材料分区如图1所示。

坝体填土主要为含少量砾的粉质黏土及粉土，土体中细粒、黏粒含量多。本次计算模型中各岩土分区的基本参数按照地勘资料选取，各分区渗透系数：坝体土为1.64×10-4cm/s，塑性混凝土防渗墙为1.0×10-6cm/s，坝基上部壤土为1.93×10-4cm/s，坝基砂卵石层为1.16×10-2cm/s，正常情况下排水棱体为3.0×10-2cm/s，反滤土工布淤堵后的渗透系数为1.0×10-6cm/s。

3 渗流稳定计算

3.1 计算模型及边界条件

土坝渗流计算理论采用达西定律，非饱和土体的渗透系数随基底吸力的变化而变化，本次计算选取一个断面，将此工程渗流简化为二维模型，得到渗流稳定微分方程式[9- 10]如下：

图1 土坝计算断面及材料分区图

上游水位/m下游水位/m水头/m渗透坡降/允许渗透坡降下游坝坡出逸段混凝土防渗墙坝基壤土层坝基砂卵石层浸润线出逸点高程/m计算单宽渗流量/(m3·d-1·m-1)土工布淤堵情况74.0047.0025.000.10/0.420.6/500.14/0.40.026/0.247.000.800未淤堵74.0047.0025.000.16/0.413.9/500.09/0.40.018/0.254.530.762淤堵

(1)

式中，kx、kz—水平和垂向两个方向的渗流流速；h—水头函数。

模型建立过程中，上游水位边界采用正常蓄水位，下游水位边界为地面高程，土坝基础按不透水地基考虑。

3.2 计算过程及结果

采用Geostudio软件中的SEEP/W和SLOPE/W模块分析坝体渗透和抗滑稳定性[11- 12]，计算时对坝体各分区进行网格划分。

3.2.1渗流计算

选取正常蓄水位工况进行稳定渗流计算，考虑排水棱体正常运行和反滤土工布淤堵两种情况。经计算，两种情况最大渗透坡降均发生在混凝土防渗心墙内，下游坝坡出逸段、混凝土防渗墙、坝基壤土层、坝基砂卵石层坡降值均在允许坡降范围内，坝体内局部渗透稳定性较好，产生渗透破坏的可能性不大。当排水棱体与其下部砂卵石层均因土工布淤堵造成排水效果大幅削弱时，下游坝坡出逸坡降增大，虽在允许值范围内，但出逸点偏高，但大范围的散浸，降低下游坝坡土体的抗剪强度，不利于坝体稳定。计算渗流如图2—3所示，渗流计算值及渗流量见表1。

图2 正常蓄水位下稳定渗流计算成果图(土工布未淤堵)

图3 正常蓄水位下稳定渗流计算成果图(土工布淤堵)

3.2.2抗滑稳定计算

采用毕肖普法计算下游坝坡的抗滑稳定性[13]，在渗流计算的基础上，土工布未淤堵情况下下游坝坡的最小安全系数为K为1.403，满足规范要求；土工布淤堵情况下下游坝坡的最小安全系数K为1.283，小于规范要求的1.30，不满足规范要求，计算成果如图4所示。

图4 正常蓄水位时的大坝下游坡K=1.403(土工布未淤堵)

图5 正常蓄水位时的大坝下游坡K=1.283(土工布淤堵)

4 成果分析

(1)当反滤土工布发生淤堵时，坝体浸润线在排水棱体之上出逸，与现场运行中发现的下游坝坡湿润区基本一致，此时下游坝坡出逸坡降增大，虽在允许值范围内，但出逸点偏高，大范围的散浸降低了下游坝坡土体的抗剪强度，不利于坝体稳定，可能引起下游坝坡的局部滑塌。经稳定计算，当反滤土工布淤堵时，下游坝坡的抗滑稳定性不满足规范要求，对土坝稳定不利。

(2)经分析认为：水库在运行过程中，大坝下游坡出现散浸现象后曾用钻穿土工布方式进行导渗，渗透水通过钻孔流向棱体内，散浸现象消失，坝内水位下降，出逸点降低；数年后，坝内土输移沉积又将钻孔堵住，坝脚水位再次抬高，渗流水出逸点升高，下游坝坡再次出现散浸现象。

(3)土工布的特性主要为保土性、透水性和抗淤堵性。该水库坝体填土中细粒和黏粒含量较多，又采用土工布作为反滤结构，在渗透水压力作用下，开始阶段水能够在土工布空隙中自由流动，细粒土也在渗透水流的裹挟下到达土工布，但致密的结构让某一级的细土粒在土工布表面和内部慢慢沉积，土工布孔隙率逐渐减小，透水性随之降低；当淤堵细颗粒达到一定程度时产生淤堵，结构失去排水反滤作用，即出现了文中描述的坝脚水位抬升、出逸点高于棱体顶面的现象。

5 结语

土工布在防汛抢险、边坡防护等水利工程排水和反滤设计中得到了广泛运用，但作为永久性建筑物的一部分长期使用，应综合分析被防护土体的成分和粒径大小，在土工布前后设计合理的砂卵石过渡层，选择具有适宜孔径，有较强抗淤堵性的土工布。

该工程坝体填土细颗粒较多，设计前未进行土工布和土料的适应性分析，不能起过渡反滤作用，应拆除该反滤土工布，改填级配较好的砂卵石过渡反滤层，让坝体渗水从棱体内部出逸，确保土坝安全运行。对于土工布和不同土料之间的适应性，还需要通过试验方法来验证和进一步研究。