堤坝防渗透变形加固方案比选研究

宋雪迪

(辽宁省河库管理服务中心，辽宁 沈阳 110003)

1 流土加固常用方案及优化分析

1.1 土工膜方案

复合土工膜具有抗变形能力强、抗渗性能优异等诸多优势，被广泛应用于土石堤坝上游坡面的防渗[1]。在土工膜防渗工程施工过程中，按照《水运工程土工合成材料应用技术规范》(JTS/T 148—2020)中的相关要求，需要采用抗老化土工膜或复合土工膜，其厚度≥1.5 mm，土工膜应该固定在堤坝的上游坡面。由于土工膜的厚度相对较小，数值模拟的过程和方法比较复杂，为了保证模拟计算精度，研究中利用土工膜等效转化法进行研究，也就是渗流量仅和土工膜的厚度和渗透系数有关。根据复合土工膜防渗工程应用理论和工程经验，设计坝体(方式1)、坝基(方式2)以及坝体+坝基(方式3)等三种不同的铺设方式进行计算对比。数值模拟中采用的土工膜为高密度聚乙烯土工膜，其主要技术指标如表1所示。

表1 土工膜技术指标

利用有限元模拟计算的方法，对不同铺设方式下逸出坡降和单宽流量进行模拟计算，结果如表2所示。从计算结果可以看出，铺设方式1和铺设方式2的逸出坡降以及单宽流量比较接近，基本处于同一水平。铺设方式3与其他两种铺设方式相比，无论是逸出坡降还是单宽流量都显著减小。因此，在工程应用中建议采用铺设方式3，也就是坝体+坝基的铺设方式。

1.2 戗台加固方案

如果堤防坝坡的渗水情况比较严重，同时，临近区域的砂土等物料较为丰富，场地也便于施工机具开展工作，可以考虑在下游坡戗筑[2]。在戗筑过程中，其顶部高程一般要高出浸润线0.5～1.0 m，顶宽2～4 m，长度超过渗水堤段的5～10 m，以便达到流土破坏的加固目的。在施工过程中应该清除地表的杂物，避免施工中的物料被污染，进而影响工程效果[3]。为了获得最佳的设计方案，研究中拟定戗台高出堤坝逸出点0.50 m、0.75 m和1.00 m，其顶部宽度2 m、3 m和4 m，戗坡应该与堤坝的坡度相同，以便获得压渗盖重效果。按照上述设计标准进行正交试验设计，以获得使用透水戗台的最佳除险加固方案。

此次研究中利用Geostudio2018进行模型构建和流固耦合计算。在计算过程中，按照《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)相关规定，砂卵石和含漂石卵砾石渗透变形形式为管涌，允许渗透坡比降值 0.15，计算结果如表3所示。从计算结果可以看出，戗台的高度和宽度参数均会对堤防的逸出高程和逸出坡降造成比较显著的影响。从具体的计算结果来看，试验编号3的逸出坡降值最小，逸出高程也比较接近最低值。因此，在具体工程设计中选择戗台高于逸出点高程0.5 m，顶宽为4.0 m。

表3 不同戗台设计方案计算结果

1.3 沥青混凝土心墙方案

沥青混凝土心墙是堤坝防渗的重要工程手段，特别是碾压式直心墙，具有机械化施工程度高、技术成熟、防渗性能好等诸多优势[4]。根据《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》(SL 501—2010)中的相关规定，防渗结构中的沥青混凝土心墙的最大厚度一般为坝高的1/60～1/100，最小厚度一般不低于0.3 m。

为了获得最佳施工设计方案，研究中结合规范SL 501—2010中的相关要求，确定模拟计算中沥青混凝土心墙的主要技术指标，结果如表4所示。

表4 沥青混凝土心墙技术指标

在使用沥青混凝土心墙耦合排水棱体防渗方案时，以不发生渗透破坏这一主要标准为原则进行防渗墙设计[5]。在堤防防渗领域，心墙的设计深度无疑最为重要，直接影响其防渗效果。在对其进行流固耦合施工过程中，利用等效厚度理论从堤身深度穿透到堤基深度为止。在计算过程中，以堤坝高度6 m为标准，设计6 m、8 m、10 m、12 m、14 m、16 m等6种不同的防渗墙深度值进行模拟计算，结果如表5所示。按照相关工程设计规范，沥青混凝土心墙和下游坝体逸出段的渗透坡降允许值分别为80和0.15，同时结合计算结果，确定14 m的防渗深度。

表5 沥青混凝土心墙防渗计算结果

2 不同加固方案对比分析

为了对比上述三种不同流土加固方案的工程效果，试验中结合堤坝的使用情况，确定三种计算工况。其中，工况1为固定水位工况；工况2为固定水位耦合降雨工况；工况3为水位上升耦合降雨工况。将上述三种不同方案中的最佳设计应用于上述三种工况并进行有限元模拟计算，结果如表6所示。具体来看，在铺设土工膜的情况下，堤坝的浸润线显著下降，逸出高程降低了2.99～3.12 m，逸出坡降减小30%～70%左右；在设置透水后戗台的情况下，堤坝的浸润线没有显著降低，但是阻水面积有明显的增加，逸出高程降低2.74～2.83 m，逸出坡降明显降低，不同工况分别降低了93%～98%左右；在沥青混凝土心墙方案下，堤坝的浸润线得到有效降低，逸出高程分别降低3.0～3.1 m，逸出坡降分别减少88%～95%左右。从计算结果来看，设置透水后戗台方案可行，其余两种方案的安全系数较低，难以保证堤坝的安全。因此，建议在工程设计中选用设置透水后戗台方案。

表6 不同加固方案计算结果

3 结 语

在河湖水利工程中，堤防工程的重要性是不言而喻的，对防止水患，保证工程价值的发挥具有不可或缺的重要意义和价值。对土质堤防工程而言，渗透破坏是最重要的破坏形式，会对堤防安全产生严重的危害。此次研究结合堤防工程的实际特点，对流土加固方案进行了优化设计和比选，可以为堤防工程加固处理提供有益的支持和借鉴。此次研究的成果均通过数值模拟的方式获得，虽然近年来数值模拟技术获得长足发展，精度也不断提高，但是仍不能替代工程实践检验。因此，在今后的研究中，还需要结合具体工程实践研究和优化研究成果进行综合分析，以便获得更为科学、合理的研究成果。