水位升降对防渗墙加固土坝的影响研究

徐 文

(江西赣禹工程建设有限公司，江西 南昌 330200)

0 引言

目前，我国的水库土石坝工程大多建于20世纪六七十年代，受技术和历史条件的限制，部分工程存在质量差、隐患多等问题，其中坝体渗水成为土石坝最常见的病害之一[1]。土石坝加固工程中常采用混凝土防渗墙，加固对坝体稳定性和变形有一定影响。混凝土防渗墙加固土石坝的变形具有一定的特点，大部分加筋坝都是运行了几十年的老坝，坝土固结已基本完成，固结变形和自重荷载变形可忽略，但附加的防渗墙会改变坝体内的渗流场和应力场，造成坝体应力变形的重构[2]。另一方面，水库水位荷载、洪水和排水过程等影响因素是多年循环荷载，水库的运行经常经历水位波动的工况。水位波动引起土体孔隙水压力的瞬态变化。当水库水位下降过快时，土壤排水时间不足，坝体孔隙水压力不能快速消散，坝坡在渗流力的作用下会引起边坡失稳、坝体变形、坝顶开裂等破坏现象[3]。目前，关于边坡稳定性分析的研究比较成熟。极限平衡法因具有明确的力学概念和计算稳定性被广泛应用，通过分析极限状态下的平衡来求解边坡的稳定性[4]，研究发现，水库遭遇突发性水位变动时，安全系数会急剧下降[5]。大坝的水平位移和沉降受到上游水库水位变化的影响，随着水库水位的升高，坝顶纵向裂缝呈现收缩的趋势，水库水位下降时，坝顶裂缝呈现张开的趋势[6]。

本研究以防渗墙加固土坝工程为研究对象，系统分析水位波动对坝坡上、下游稳定安全系数和不同截面、不同测点的水平位移和沉降位移的影响，为水利大坝渗流墙的设计和运行管理提供参考。

1 工程概况

某水库是一座以供水为主，兼有防洪综合效益的小型水库。2013年在原有均质土坝的基础上，采用高压喷射注浆在大坝内修筑了混凝土防渗墙，2016年首次在坝顶路面上发现裂缝，后期裂缝持续延伸，最长约近百米，靠近大坝轴线混凝土截流墙处，裂缝的平均宽度为4mm，最宽部分为30mm。该坝为均质土坝，混凝土高压喷射注浆防渗墙施工后，坝顶标高182.6m，最大坝高42.3m，坝顶长176m，坝宽7.6m。设计洪水位180m，校核洪水位180.2m，总库容432万m3，如图1所示。

图1 大坝模型示意图

173m高程至坝顶高程，大坝上游坡面采用预制件砌块护坡，坡度比为1∶2。标高160～183m处，大坝上游坡面采用干砌体护坡，坡比为1∶2.5。标高160m以下，大坝上游坡面为块石，坡比为1∶1.3。从高程160m到坝顶高程，大坝下游坡面由混凝土网格草皮保护。

2 水位变化对坝坡稳定性影响研究

2.1 渗流与边坡稳定性分析方法

土石坝和地基假设为各向同性多孔介质，坝体内渗流符合达西定律，非饱和渗流模型采用Fredlund和Xing模型。采用极限平衡法对坝坡稳定性计算，基于莫尔库仑抗剪强度理论，将潜在滑动面内的边坡按一定比例划分为若干土条，并根据土条之间的极限平衡条件建立静力平衡方程。考虑滑动土的整体弯矩平衡，计算边坡的安全系数，并根据该方程对边坡的稳定性进行评价。弯矩平衡关系式为：

(1)

式中，c—黏聚力，kPa；φ—土体内摩擦角，(°)；ΔL—滑动面上各土长，m；LW—各土条对滑动面中心的力矩，N·m；LN—滑动面各土条中点与其法线对应的弯矩，N·m；R—到圆心的力矩长度，m；W—土条重量，kN。

2.2 数值模型与参数

水库大坝防渗墙轴线位于坝轴线上，坝厚0.25m。根据相关设计资料、现场勘察报告及水库坝坡地形成图数据，选取典型设计断面，利用GeoStudio软件建立二维大坝模型，分析坝坡水位突降对稳定性的影响。坝体上游面边界和初始条件为设计水位和稳态渗流场，坝基为全约束边界条件。水库大坝地基为花岗岩岩体，坝基风化岩体主要集中在大坝下游一侧。在模拟饱和、非饱和渗流场时，坝体分别采用饱和、非饱和模型，坝基采用饱和模型。混凝土防渗墙采用高压喷射灌浆施工，实测防渗墙防渗系数为4.5×10-7cm/s。

2.3 水位变化条件下坝坡稳定性分析

当水库水位在短时间内快速下降时，容易引起坝坡垮塌，是土石坝失稳的重要原因。本文分析和模拟了水库在正常蓄水条件下水位为180m时，计算加防渗墙后坝坡稳定安全系数。水位下降的模拟过程设置水位从180m下降到150m，持续时间分别设置为10、6和3d，对应下降速度为3、5和10m/d。初始条件为长期浸水下的稳态分析结果。计算典型最危险滑动面，以极限平衡法的平均值计算，具体参数见表1。

表1 坝坡模型计算参数

不同水位降低速率情况下，坝坡上游稳定安全系数变化曲线如图2所示。

图2 坝坡上游稳定安全系数

上游坝坡安全系数随水位降低而减小，水位下降到最低水平时，安全系数最小，然后呈缓慢上升趋势，最后保持稳定。水位下降速度为3、5和10m/d时，在持续时间为10、6和3d时水位降至150m，对应的安全系数分别为1.53、1.37和1.17。水位下降速度为10m/d时坝坡上游最小稳定安全系数较水位下降速度为5和3m/d时坝坡上游最小稳定安全系数分别低14.6%和23.5%。由于水位以较快的速率下降，水头差发生显著变化，边坡的稳定性下降，坝体坡面岩土内部基质的吸力仍较低。随着水位不再下降，孔隙水压力逐渐消散和土体抗剪强度的逐渐升高，坝坡内部基质吸力逐渐恢复，稳定安全系数增大。不同水位降低速率情况下，坝坡下游稳定安全系数稳定在1.6左右，水位降低对坝坡下游稳定安全系数的影响可忽略。

根据工程地质报告，在无水位变化的情况下，坝体边坡稳定安全系数约为2.0，总体安全稳定。水位极端骤降的情况下，坝坡安全性降低。水位下降速度越快，上游坝坡稳定安全系数下降越快，坝坡稳定性不利。随着后期水位的稳定，坝体土孔隙水压力逐渐消散，稳定安全系数再次上升，最终趋于稳定值[7-9]。

3 水位变化时坝体变形测量与分析

3.1 测点布置

坝体地表进行变形测量，对两处坝体横断面观测，每个横断面有2个观测点，共4个观测点，如图3所示。

图3 变形测点布置示意图

3.2 水平位移

大坝的水平位移通过观察桥墩测量，图4—5为2个测量断面不同测点的水平位移，其中上游表示为负值，下游表示为正值。

图4 截面1不同测点的水平位移

图5 截面2不同测点的水平位移

从图4—5可以看出，上游测点水位位移最大值出现在2021年7—9月，从测点变形和库区水位变化规律来看，2021年4—9月，随着水位的上升，除7月监测到的数据外，通常趋向上游。2021年9月—2022年5月随着水位下降，坝体水平位移总体上有向下游变化的趋势。2个断面的变形规律可知，不同断面测点的变形规律相似。2021年4月—2021年9月水位上升，下游的2个监测点在6月测得31.8和12.9mm，总体有向上游变化的趋势。2021年9月—2022年5月，随着水位的下降，坝体水平位移总体上有向下游变化的趋势。总体上，坝体水平位移受上游水库水位变化影响，上游水库水位上升，坝体向上游方向偏移，实测值为负值[8]。反之，上游水库水位下降，坝体总体有向下游移动的趋势，实测值为正，两断面下游坝坡测点水平位移幅值明显大于上游坡测点。

3.3 沉降位移

图6—7为2个测量断面不同测点的沉降位移，向下的位移表示为负值，向上的位移表示为正值。

图6 截面1不同测点的沉降位移

图7 截面2不同测点的沉降位移

从2个断面的沉降规律可知，2021年4—9月随着水位的上升，除5月监测到的沉降外，总体上呈向上变化趋势。2021年9月—2022年5月，随着水位的下降，坝体水平位移总体呈下降趋势。水库水位的连续变化过程中，同一断面的监测点呈现相同的变化趋势。坝面沉降的变化与上游水库水位的波动有关。上游水库水位上升时，坝面沉降值为负值，坝面有上升趋势。反之，上游水库水位下降时，坝体地表沉降值为正值，呈向下沉降趋势。

4 结论

大坝的水平变形、沉降变形与水库水位的变化密切相关。本文采用数值分析和现场实测相结合的方法，分析了水位升降对防渗墙加固土坝的影响，得出以下结论。

(1)水库遇到水位骤降时，安全系数急剧下降。随着水位稳定，坝体土孔隙水压力逐渐消散，稳定安全系数再次增大，最终趋于稳定。

(2)水库上游水位上升，大坝水平位移向上游方向偏移。水库水位下降，坝体水平位移向下游移动，下游边坡水平位移变化显著大于上游边坡；沉降变形的波动表现为上游侧大于下游侧期。

(3)由于水库坝体的变形特征与大坝类型、施工质量等密切相关，研究结论在其他类似工程中的应用，需要进一步研究。