沥青混凝土心墙土石坝渗漏分析以及修复研究

李 兵

(新疆水利水电项目管理有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 引言

土石坝破坏的主要原因之一是渗漏，渗漏会导致大坝结构弱化，随着时间的推移可能会因管涌或坍塌发生较大的安全事故[1]。土石坝在水库蓄水阶段经常发生渗漏问题，此外由于各种原因的侵蚀，渗透破坏随着结构使用年限的增加而增加[2]。据调查，世界上发生过多达162起大坝事故，其中渗漏破坏导致了65起，各种原因的侵蚀造成了57起，还有41起大坝事故与管道变形渗漏有关[3]。表1显示了截止到2000年大型水坝发生渗漏的原因或位置。

表1 截至2000年大坝渗漏的原因或位置

在坝体内部，侵蚀的发展可以分为几个阶段：侵蚀的开始和蔓延，侵蚀的蔓延导致管道最终产生裂缝[4]。本文使用SEPE/W软件，分别对有无心墙、有无上下游过滤层的情况进行模拟，目的是根据改变大坝几何形状的不同条件来研究渗流情况和出口坡度。

2 工程概况

本文以新疆某水利工程为研究对象，其总库容0.82亿m3，坝顶高程2513.00 m，坝顶宽度20 m，坝长389 m，最大坝高54.5 m，电站装机3×8MW。本工程为Ⅱ等工程，由拦河坝，表孔溢洪洞，底孔泄洪、冲沙、放空洞(导流洞改建，龙抬头形式)，发电引水洞，地面厂房及电站尾水渠等组成。建筑物级别：拦河坝，表孔溢洪洞，底孔泄洪、冲沙、放空洞，发电引水洞进口为2级，发电引水洞、发电厂房、尾水渠为3级，临时性建筑物为4级。大坝包含许多监测和检查仪器，以确保大坝在运行期间处于安全状态，这些仪器能够通过观察获得坝体内部的沉降、移动和孔隙水压力的变化情况[5]。

3 土壤参数实验

本节旨在研究土石坝的土壤参数，然后将这些参数导入地质边坡软件SEPE/W中的有限元程序中来模拟通过大坝的渗流。

3.1 坝壳材料参数

建造该大坝坝壳体所用的土壤为B级土壤，是大坝施工区域附近大量存在的当地土壤。坝壳参数的实验结果见表2。

表2 坝壳材料参数实验结果

3.2 心墙材料参数

心墙材料施工中使用的土壤为粉质粘土，也是施工区域附近可大量获得的当地土壤。由实验确定的物理性质参数见表3。

表3 心墙材料参数实验结果

3.3 上游过滤层材料参数

大坝上游中用于建造细过滤层的土壤是压碎的天然砂料。由实验确定的物理性质参见表4。

表4 上游过滤层材料参数实验结果

3.4 下游过滤层材料参数

大坝下游中用于建造粗过滤层的土壤为砾石材料，可在施工区域附近的采石场获得，土壤试验结果见表5。

表5 下游过滤层材料参数实验结果

4 渗流分析

本文使用SEPE/W软件分析大坝的稳态渗流，该软件是一种地质边坡分析工具，通过使用有限元方法模拟孔隙水压分布和水在多孔介质(土壤和岩石)中的运动。该软件是一个通用的渗流分析程序，它可以模拟饱和和非饱和流动，故SEPE/W能够处理其他渗流软件所不能解决的问题。

有限元网格为1936，节点数为1998，见图1。

图1 有限元网格划分

设定的上游边界条件如下：上游水库水位即总水头50 m，代表水库中的水的高度。下游边界条件设定为：①位于下游压头常数等于0的坡脚排水点。②最高水位49.17 m，最低水位18.43 m，一半蓄水高度33.81 m。基于上述边界条件进行分析。分析的结果见表6。

表6 基于边界条件的分析结果

5 渗流模拟

5.1 坝壳渗透性

本节考虑以下三种情况：

(1)坝壳的渗透率等于1000倍心墙的渗透率：Kshell=1000×5.3×10-9=5.3×10-6m/s；

(2)坝壳的渗透率等于10000倍心墙的渗透率：Kshell=10000×5.3×10-9=5.3×10-5m/s；

(3)坝壳的渗透率等于100000倍心墙的渗透率：Kshell=100000×5.3×10-9=5.3×10-4m/s。

图2展示了不同渗透率的坝壳对渗透量的影响；图3展示了不同渗透率的坝壳对出口坡度的影响。可以总结出坝壳渗透率与心墙渗透率比值对渗流量和出口坡度的影响：当该比率增加时，出口坡度减小，比率的增加将导致壳体渗透性增加，这将导致通过壳体渗透量的增加。

图2 不同坝壳渗透率与心墙渗透率比值对渗透量的影响

图3 不同坝壳渗透率与心墙渗透率比值对出口坡度的影响

5.2 心墙在坝体中的作用

心墙是大多数土石坝的中心部分，主要由防渗材料组成，主要用途是阻止坝体内渗流。根据材料的可获取性和施工难度，心墙可由土壤、钢材、混凝土或木材制成。本文研究以下两种情况：

(1)有无心墙存在对渗透量和出口坡度的影响。图4和图5展示了当大坝有无心墙时，渗流量和出口梯度与不同水头之间的有限元分析结果。可以得到心墙对渗透量和出口坡度的影响：减少渗流量94%；出口坡度降低45%。

图4 有无心墙对渗流量的模拟结果

图5 有无心墙对出口坡度模拟结果

(2)心墙厚度对渗透量和出口坡度的影响。此处的厚度为位于零标高的接地线上，零标高时大坝堆芯的厚度为85 m，从每侧(上游和下游)减少堆芯的厚度5 m，以保持堆芯在所有情况下与原始状态一样对称。

图6和图7展示了不同水位下渗透量和出口坡度与心墙厚度变化之间的关系。降低堆芯厚度对渗漏量和出口坡度的影响为：每次降低堆芯厚度10 m，渗流量增加(8%～34%)，出口坡度增加(10%～93%)。

图6 渗透量与心墙厚度的关系

图7 出口坡度与心墙厚度的关系

5.3 大坝过滤层的作用

土石坝中的过滤层由位于坝体附近的粗粒土构成。过滤层通常根据颗粒尺寸进行分类，与筑坝用的土壤颗粒尺寸相比，上过滤层的颗粒应具有足够小的尺寸，以防止土壤侵蚀。下过滤层颗粒应足够粗，便于排水。

为实现这些功能，过滤层应该在加工、搬运和压实过程中，级配不变。颗粒应具有内部稳定性，能够防止渗流的发生。渗透率应足以排出渗流并防止超孔隙水压力的破坏。

(1)移除上游过滤层对渗流和出口坡度的影响可总结为：针对不同的水库水位，移除过滤层会增加3%～17%的渗透量，出口坡度会增加5%～36%。图8和图9展示了在水库水位变化的条件下，随着上游过滤层的移除，渗漏量和出口坡度之间的关系。

图8 移除上游过滤层对渗流的影响

图9 移除上游过滤层对出口坡度的影响

(2)拆除下游过滤层对渗漏量和出口坡度的影响可总结为：对于不同的水库水位，拆除下游过滤层会导致渗漏量增加10%～22%，出口坡度降低100%。

图10和11显示了在水库水位变化期间，随着下游过滤层的拆除，渗漏量和出口坡度之间的关系。

图10 移除下游过滤层对渗流的影响

图11 移除下游过滤层对出口坡度的影响

(3)拆除上游和下游过滤层对渗漏量和出口坡度的影响可总结为：对于不同的水库水位，拆除过滤层会道州渗漏量增加12%～22%，出口坡度降低100%。

图12和13展示了当大坝有无上下游过滤层时，渗漏量和出口坡度与水库水头之间的关系。

图12 移除上下游过滤层对渗流的影响

图13 移除上下游过滤层对出口坡度的影响

6 控制灌浆修补方案的研究

为提高钻进效率和钻进质量，过渡层材料应质地坚硬、颗粒细、连续分级、松散分级，钻进时孔壁易坍塌，采用护壁钻进法。为避免孔壁形成的泥皮对过渡料控制灌浆的不利影响，采用套管壁钻进、水钻或气洗孔钻进。对于地层较深或砾石较大时，采用冲击旋转随钻法施工，施工方便，效率高。过渡层灌浆可采用闭孔法和套筒阀管法。过渡层自上而下采用闭孔灌浆进行钻孔和灌浆，钻孔和灌浆交替进行。每一次灌浆均在孔口封闭，灌浆段可重新充填，灌浆质量良好。套筒阀管灌浆方法：先钻灌浆孔，孔下入孔内灌浆管(管)，在灌浆管与孔壁之间填充特殊填料，然后在灌浆管塞段内安装双灌浆，套筒阀管灌浆孔的灌浆方法是钻取，在地面上安装连续灌浆管。可采用不同的灌浆压力分段隔离，调整灌浆量。

7 结论

本文通过试验获取了坝壳材料、心墙材料、上下游过滤层材料的参数，并将其应用于有限元模拟过程中，得到了通过大坝的渗流模拟结果。结果表明：坝壳渗透率与心墙渗透率比值的变化对出口坡度和渗透量都有影响，当该比值增大时，出口坡度减小，渗透量增大，坝壳渗透率与心墙渗透率比值为10000时是最佳的，因为在该情况下渗漏量最低，出口坡度较缓和；心墙对通过大坝的渗透量有重要影响，当心墙从大坝中移除时，渗透量会增加并达到94%的极端值，出口坡度会增加45%；将堆芯厚度减少10 m可能会导致渗漏量增加35%，出口坡度增加34%；有无上游过滤层对渗漏量和出口坡度没有显著影响，下游过滤层对渗漏量的影响很小，但拆除时出口坡度会降低100%。有无上下游过滤层将导致渗透量增加到12%～22%，拆除上下游过滤层也会导致出口坡度降低100%。本研究对于指导工程修建有很强的实际意义，可以通过合适的坝壳选材、修筑心墙、设置上下游过滤层来消除渗漏与出口坡度带来的破坏。