坝体加固后渗流稳定性计算研究

2022-02-13朱琪

水利科技与经济 2022年1期

朱琪

(金溪县水利局，南昌 344800)

1 概述

截止目前，我国各地修建了大量水库大坝等水利工程。但水库大坝在长期使用过程中会产生渗流、滑坡、管涌等病害问题。针对大坝出现的各种问题，研究人员进行了大量的研究，并取得了相关的成果。

张双龙等[1]将灌浆技术应用在坝体等水利工程项目中，研究分析了坝体出现渗漏的原因并对该工程进行了防渗处理；黄昌乾、丁恩保等[2]基于现有研究对边坡坝体工程中的稳定性分析方法进行了系统的综述，总结并阐述了对应方法的优劣性，为水利边坡研究提供了很好的理论依据；王维娜、殷秀海等[3]就坝体分析常用的极限平衡和强度折减等两种分析方法进行了对比分析，研究表明强度折减法更具有优势；许书源等[4]基于某实例矿坝工程，采用数值分析的方法就该坝体堆载前后的渗流稳定性进行了研究分析，并给出了相应的维护处理建议；沙成刚等[5]以青海某水库大坝为工程背景，采用有限元分析方法，研究分析了不同水位下大坝的渗流特性和边坡稳定性，并就该大坝的稳定安全值进行了的评定；李胜等[6]基于某实例矿坝研究分析了该坝体的应力、应变、渗透性与岩石状态的关系，为类似工程提供了参考价值；陈耀华等[7]同样以某实例边坡为研究背景，采用数值模拟的分析方法，探讨了降雨对该边坡的稳定性影响以及不同降雨条件下的边坡破坏程度；夏冬、常宏等[8]使用有限元分析方法，结合某实例工程，研究分析了矿坝施工过程中的应力应变响应，并对其稳定性进行了评估。

2 工程概况

2.1 水库概况

本研究以浙江某水库为研究对象。该水库坐落于群山之中，库岸岩石为密实度较高的火山岩，两侧边坡较为稳定。该水库的总库容为129.37×104m3，正常蓄水库容105.76×104m3，坝高32.46 m，主要用于农田灌溉。

2.2 加固方案

结合水库实际应用过程中出现的渗漏和稳定性问题，对其进行了防渗加固。具体加固处理根据防洪标准规范所制定，大坝加固项目见表1。

表1 防渗加固项目

3 模型介绍

本节采用Geo-Studio对大坝进行渗流稳定性分析，表2为具体建模分析步骤。根据水文地质资料可知，该水库大坝高度为26 m，坝顶高程为32.46 m，坝顶宽6.5 m，坝底宽130 m，坝顶长235 m，水库校核洪水位32.56 m，正常蓄水位 31.25 m。本文选取大坝中心和左坝肩两个区域作为研究对象进行研究分析，图1、图2为根据实际地质情况建立的坝体中心模型图和坝体左肩模型图。

表2 模型建立步骤

图1 坝体中心模型图

图2 左坝肩模型图

4 结果分析

4.1 渗流分析

本节就加固前后坝体中心区域和左坝肩两个研究部分在正常水位和蓄水位两种不同工况下的浸润线位置特征进行了分析，表3、表4分别为加固前坝体中心区域和左坝肩各土层渗透系数表。

表3 加固前坝体中心区域各土层渗透系数表

表4 加固前左坝肩各土层渗透系数表

4.1.1 加固前坝体渗流分析

图3和图4为加固前坝体中心区域正常蓄水位、校核蓄水位两种不同工况下浸润线位置图。由图3和图4可知，当水库大坝水位为正常蓄水位时，坝体的单宽渗流量为6.3×10-5m3/s；当水库水位为校核蓄水位时，坝体的渗流曲线呈现下降趋势且单宽渗流量为8.1×10-5m3/s。不难发现，校核工况的单宽渗流量大于正常工况下的单宽渗流量，因此可以说明本文对坝体中心区域的模拟是符合实际情况的。

图3 坝体加固前中心位置处正常库水位对边坡渗流图

图4 坝体加固前中心位置处校核库水位对边坡渗流图

图5和图6为加固前左坝肩区域正常蓄水位、校核蓄水位两种不同工况下浸润线位置图。由图5和图6可知，正常蓄水位时左坝肩的单宽渗流量为4.6×10-4m3/s，且小于校核蓄水位时左坝肩的单宽渗流量6.5×10-4m3/s，因此本文对左坝肩区域的渗流模拟是符合实际情况的。

图5 坝体加固前左侧坝体正常库水位对边坡渗流图

图6 坝体加固前左侧坝体校核库水位对边坡渗流图

4.1.2 加固后坝体渗流分析

计算断面以上流域地理特征值由1∶5万地形图量取，流域面积F为430km2，河长L为38.75km，纵坡J为1.199%。

图7、图8为坝体加固后坝体中心区域正常蓄水位和校核蓄水位两种工况下的浸润线图。由图7和图8可知，当水库水位为正常蓄水位时，对比加固前的情况可发现加固后库水位对边坡渗流高度明显下降，单宽渗流量为2.9×10-5m3/s；当水库水位为校核蓄水位时，由图8可知坝体单宽渗流量为3.3×10-5m3/s，同样满足校核蓄水位工况大于正常蓄水位工况。通过对比加固前后两种工况的单宽渗流量可知，坝体加固后渗流量明显降低，因此可以说明坝体注浆加固后有良好的阻渗防渗效果。

图7 坝体加固后中心位置处正常库水位对边坡渗流图

图8 坝体加固后中心位置处校核库水位对边坡渗流图

左坝肩注浆后，其渗透系数为 1.24×10-7cm/s，其余数据与加固前相同。图9、图10为坝体加固后左侧坝体正常库水位和校核库水位的边坡渗流图。与坝体中心区域加固后的结论类似，加固后浸润线位置下降，单宽渗流量降低，且正常蓄水位单宽渗流量1.3×10-5m3/s要小于校核蓄水位单宽渗流量1.7×10-5m3/s，因此可以说明注浆加固防渗效果良好。

图9 坝体加固后左侧坝体正常库水位对边坡渗流图

图10 坝体加固后左侧坝体校核库水位对边坡渗流图

4.2 稳定性分析

本节就加固前后坝体中心区域和左坝肩两个研究部分在正常库水位和校核库水位的滑移面和最小安全系数进行了分析。

4.2.1 加固前坝体稳定性分析

表5、表6分别为加固前坝体中心区域和左坝肩不同水位下的最小安全系数。

表5 坝体加固前中间位置处最小安全系数表

表6 加固前左坝肩最小安全系数表

通过数值模拟对加固前的坝体进行稳定性分析，可得到坝体中心区域不同水位条件下的滑移面图。由图11、图12可知，正常库水位工况下的危险滑移面比校核库水位更加凸出，且两种不同工况下的最小安全系数均高于规范值1.5。因此，两者均符合规范要求，可以进一步说明本文的模拟是合理的。

图11 加固前坝中心区域模拟正常蓄水位滑移面图

根据图13、图14大坝左坝肩在不同水位下的危险滑移面曲线图可以发现，正常库水位工况下的滑移面曲线与校核库水位下相比较，正常库水位工况下的滑移面曲线更加圆滑，且正常蓄水位时最小安全系数大；与坝体中心区域相同，两种水位下的最小安全系数均符合规范。

图14 加固前左坝肩区域模拟校核蓄水位滑移面模型图

4.2.2 加固后坝体稳定性分析

表7、表8分别为加固后坝体中心区域和左坝肩不同水位下的最小安全系数。

表7 加固后坝体中心区域最小安全系数表

表8 加固完成后左侧坝体最小安全系数表

通过计算分析，可以得到坝体加固后坝体中心区域和左坝肩在不同水位下的最危险滑移面曲线图，见图15、图16。由图15和图16可知，与正常蓄水位相比，校核蓄水位的滑移面更偏下且滑移面曲线更加圆滑，两种不同工况下的坝体最小安全系数分别较加固前有所增大，其中正常蓄水位工况下的最小安全系数较高，但两种蓄水位条件下的最小安全系数均在规定允许范围内。因此，可以说明该水库大坝中心区域的稳定性在安全范围内。

图15 加固后坝体中心区域正常蓄水位滑移面图

图16 加固后坝中心区域校核蓄水位滑移面图

图17、图18为正常库水位和校核库水位两种工况下，左侧坝肩位置处边坡滑移面和安全系数图。由图17和图18可知，左坝肩加固前后滑移面有坝体中心区域类似结论，两种不同蓄水位条件下左坝肩的最小安全系数分别为 1.761和1.729，说明加固后左坝肩的安全系数有所增加。通过对比规范范围内的最小安全系数可知，左坝肩的最小安全系数符合规定，即该坝体左坝肩区域的安全稳定性在安全范围内。