淤泥质软土坝基抗滑稳定性分析及加固处理

2020-05-14赵爽

水科学与工程技术 2020年2期

赵爽

（安徽三洲水利建设有限公司，安徽宿州234000）

水库大坝修建过程中会经常遇到不良地质现象，如边坡失稳、软弱地基等。坝基是影响大坝安全的重要部位，由于坝基失稳滑动造成坝体失稳破坏的事故屡见不鲜［1］。因此，在含有软弱地基的坝址区修建水库大坝时，需要准确分析坝基抗滑稳定性，为坝体设计和建设提供参考。目前，较为常用的水库坝基稳定性分析方法包括：数值模拟［2］、极限平衡［3］。极限平衡法计算安全系数受国内外行业专家、学者的认可［4］，数值模拟方法可根据地质情况，建立数值模拟模型，研究地质体内部应力分布特征。

在含有软弱地层的区域修建水库大坝，若其安全性难以满足规范要求，则需要采取相应的加固措施，保证坝体的安全性。目前，有较多的方法加固坝基，如响水凹水库采用振冲碎石桩加固坝基［5］、七里坡水库采用高压摆喷灌加固坝基［6］、红山水库采用强夯法加固坝基［7］、杨庄水库采用坝前压重法提高坝体安全性［8］。

本文以某大坝建于厚层淤泥质软土地质水库为例，研究坝基稳定性和坝基抗滑稳定性处理方法。

1 工程概况

水库坝址位于洼地内，洼地内填充被黏土充填的块石，采用土工膜防渗，大坝类型为土石坝，最大坝高23.5m，顶宽5.0m，上、下游坡比为1∶2.5。坝体正常蓄水位高21.0m，设计洪水位22.3m，校核洪水位22.9m，死水位11.0m。河床坝基下设厚1.0m的上、下各有一层厚0.5m反滤层的堆石体，坝体断面如图1。

图1 坝体剖面

2 坝基抗滑稳定性分析

采用数值模拟方法研究坝基渗流及抗滑稳定性，根据坝体剖面及地质情况建立数值模拟模型，如图2。

图2 数值模拟模型

2.1 计算参数选取

由于土工膜厚度较薄，在模型建立时难以建立，根据前人研究，可采用当量渗透系数来反映土工膜的渗透性［9］。根据渗流量恒定这一基本原理，土工膜厚度满足式（1）：

式中 k1，k2分别为土工膜渗透系数和等效渗透系数；L为计算长度（m）；Δh为水头差（m）；δ，t分别为土工膜厚度（mm）和等效厚度（mm）。

通过计算，土工膜原厚度0.8mm，在模型建立时，土工膜厚度0.4m，渗透系数为5×10-9cm/s。坝体和坝基计算参数如表1。

表1 坝体、坝基数值模拟计算参数

2.2 坝体抗滑稳定性分析

2.2.1 渗流分析

根据设计洪水位工况下渗流计算结果，由于土工膜渗透系数较小，提高了坝体的防渗效果，压力水头及浸润线如图3。

图3 压力水头及浸润线

由图3可知，土工膜的存在，减少了入渗至坝基的地下水量，坝体底部浸润线较低，与坝基面几乎平齐，下游坝脚处为逸出点，渗透坡降不大于0.1。

2.2.2 抗滑稳定性分析

在完成坝体渗流分析的基础上，研究加固前坝基抗滑稳定性情况，不同水位下的坝体稳定性计算结果如表2。

表2 不同工况下坝坡安全性计算结果

根据计算结果可知，所有工况下上游坝坡稳定性情况较好，满足规范安全要求，下游坝坡稳定性较差，难以满足安全要求，正常运行下游坝坡安全系数小于1.25；在非正常运行期间，下游坝坡安全系数小于1.15。因此，需要加固坝基。

3 坝基加固处理方案及效果研究

3.1 加固处理方案

3.1.1 加固方法比选

根据抗滑稳定性分析，坝体破坏主要原因是淤泥质土强度低，因此，提高坝体抗滑稳定性可从以下两个方面分析：①提高淤泥质土抗滑能力，主要包括开挖换填淤泥质土、振冲碎石桩等；②平衡滑动剪切力，主要包括压重坝脚等。现就3种方法进行比选，比选内容如表3。

表3 3种加固方案对比

根据表3对比，结合工程特点，选用压重坝脚作为坝基抗滑治理方法。

3.1.2 加固工程设计

为合理设计压重体体型，选择3种方案进行比选。分别设计压重体宽为12，15，20m，下游坡比均为1∶3，并采用0.5m厚反滤层、0.5m厚块石护坡。其中方案1～方案3填筑量分别为：8.1×103，6.2×103，4.3×103m3。

通过稳定性验算，方案1在设计洪水位时，安全系数小于1.25，同时随着压重体增高，其安全系数下降，因此仅考虑方案2、方案3。方案3填筑量较少，但护坡及反滤层施工量较大且造价较高，通过计算方案3造价较方案2多约10万元，因此选择方案2作为坝基加固方案。

3.2 加固效果分析

加固后坝坡安全系数计算结果如表4。由表4可知，加固后正常运行工况下下游坝坡安全系数由加固前的1.08～1.09提升至1.26～1.27，大于规范要求1.25；非正常运行期间下游坝坡安全系数也由1.08～1.10提升至1.26～128，大于规范要求1.15。通过抗滑安全系数计算，采用坝脚压重的方案，可提高该土石坝的抗滑安全系数。