某土石壩加固設(shè)計(jì)與有限元計(jì)算研究

李 棟

(吉林省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，吉林 長春 130021)

我國部分水庫大壩修建于20個(gè)世紀(jì)50年代，年久失修，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)維護(hù)。吉林省某水庫大壩壩頂高低不平；上游壩坡干砌塊石護(hù)坡風(fēng)化破損，壩面多處沉陷，凹凸不平，雜草叢生；大壩右側(cè)部分壩坡無干砌塊石護(hù)坡。壩體土黏粒含量、壓實(shí)度不滿足相關(guān)規(guī)范要求，該水庫大壩安全技術(shù)認(rèn)定中防洪安全性為C級(jí)，壩體滲流安全性為C級(jí)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全性為B級(jí)。大壩安全認(rèn)定專家組認(rèn)為，鑒于大壩目前存在的問題，將大壩安全類別定為三類壩，因此亟需對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定復(fù)核與加固設(shè)計(jì)。

1 水工建筑物設(shè)計(jì)

1.1 工程等級(jí)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)原有設(shè)施的設(shè)計(jì)規(guī)模，經(jīng)根據(jù)SL252- 2017《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定復(fù)核，規(guī)模為小(2)型，工程等別為Ⅴ等，主要建筑物擋水壩、抽水涵管、放水涵管級(jí)別為5級(jí)，次要建筑物、臨時(shí)建筑物為5級(jí)。洪水標(biāo)準(zhǔn)按30年一遇洪水設(shè)計(jì)，300年一遇洪水校核[1]。

1.2 壩頂高程計(jì)算

按SL252- 2000和SL274- 2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，壩頂超高由設(shè)計(jì)波浪爬高、設(shè)計(jì)風(fēng)壅水面高度和安全加高值組成，見表1。壩頂超高按下列公式計(jì)算：

Y=R+e+A

(1)

式中，Y—堤頂超高，m；R—設(shè)計(jì)波浪爬高，m；e—設(shè)計(jì)風(fēng)壅水面高度，m；A—安全加高值，m。

表1壩頂超高計(jì)算成果表(正常蓄水位工況下) 單位：m

項(xiàng)目設(shè)計(jì)波浪爬高設(shè)計(jì)風(fēng)雍水面高度安全加高壩頂超高數(shù)值0.180.00030.50.68

根據(jù)計(jì)算成果，選取堤防的堤頂超高數(shù)值為0.68m，取壩頂高程為408.0m。

1.3 護(hù)坡厚度計(jì)算

對(duì)重建護(hù)坡進(jìn)行計(jì)算，按SL274- 2001的有關(guān)公式計(jì)算(塊石在最大局部波壓下所需的換算直徑、質(zhì)量、平均粒徑、平均質(zhì)量和護(hù)坡厚度)[2- 4]：

(2)

Q=0.85Q50=0.525ρkD3

(3)

(4)

式中，D—石塊換算成球形的直徑，m；D50—石塊的平均粒徑，m；Q—石塊的質(zhì)量，t；Q50—石塊的平均質(zhì)量，t。

經(jīng)計(jì)算，大壩護(hù)坡所需要護(hù)坡厚度為0.32m。

1.4 抗滑計(jì)算

根據(jù)SL274- 2001，圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定可按如下公式計(jì)算。

(1)瑞典條分法

K= ∑{[(W±V)cosα-ubsecα-Qsinα]tanφ′+

c′bseaα}/∑[(W±V)sinα+Mc/R]

(5)

表2 壩體抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

(2)簡化畢肖普法

K= ∑{[(W±V)seaα-ubsecα]tanφ′+c′bseaα}[1/(1+tanαtanφ′/K)]/ ∑[(W±V)sinα+Mc/R]

(6)

根據(jù)SL274- 2001規(guī)定，并結(jié)合壩體的具體情況，計(jì)算分析水庫穩(wěn)定滲流期的上、下游壩坡的抗滑穩(wěn)定情況，見表2。

經(jīng)過計(jì)算，可以確定土石壩抗滑穩(wěn)定計(jì)算滿足規(guī)范要求[5]。

2 壩體滲流穩(wěn)定計(jì)算分析

本次計(jì)算采用GTS NX有限元軟件對(duì)壩體施工階段滲流分析與滿水位驟降時(shí)的壩坡穩(wěn)定性分析。本次計(jì)算按照邊界條件同時(shí)給予時(shí)間變化的瞬態(tài)流分析。由于實(shí)際施工與運(yùn)行中土石壩內(nèi)部土體是非飽和狀態(tài)，這時(shí)根據(jù)含水率和孔隙率，滲流達(dá)到穩(wěn)定滲流狀態(tài)的時(shí)間上有很大差異，因此需要對(duì)其進(jìn)行瞬態(tài)滲流分析[6- 8]。

非穩(wěn)態(tài)下滲流計(jì)算表示為：

式中，Q—土單位體積上單位時(shí)間內(nèi)的釋水量；Θ—體積含水率。

對(duì)壩體進(jìn)行建模分析，簡化后壩體典型斷面有限元網(wǎng)格剖分如圖1所示。

圖1 簡化后大壩斷面有限元網(wǎng)格剖分圖

如圖2～4所示水位發(fā)生驟降，但可以確認(rèn)壩體上部的全水頭約維持在16m。這是因?yàn)榕c巖土內(nèi)滲流速度相比外部水位下降速度相對(duì)快的原因。在水位驟降以后將發(fā)生堤外側(cè)上的向下流動(dòng)。為了確?；跐B流的壩體穩(wěn)定性，一般核心部分利用透水性非常低的材料，所以在水位驟降以后壩體的堤外側(cè)可能會(huì)變得不穩(wěn)定。

滲透主要發(fā)生在壩體上游處，滲透量較小，不會(huì)影響壩體安全。沿壩體上游至下游方向，滲透量逐漸減小，且不存在繞壩滲流的情況[9]。

由滲流-應(yīng)力耦合分析結(jié)果，初期滿水位時(shí)，因堤外側(cè)地表面上作用的靜水壓劇減，隨著時(shí)間變化堤外側(cè)上集中了更多的變形。圖2～4所示結(jié)果是最終階段上壩坡的水平位移和剪切變形結(jié)果，可以看出應(yīng)力集中區(qū)主要位于心墻處[10]。

圖2 水位下降6m，大壩滲流分布圖

圖3 校核水位下壩體滲流分布圖

圖4 大壩應(yīng)力分布圖

3 加固處理

3.1 護(hù)坡加固處理

根據(jù)實(shí)地勘測，大壩護(hù)坡?lián)p毀較為嚴(yán)重，需要對(duì)其進(jìn)行修復(fù)加固處理。本次加固采用漿砌塊石護(hù)坡形式。拆除現(xiàn)狀大壩干砌塊石護(hù)坡，將坡面整平后，鋪設(shè)反濾墊層(自下而上)中粗砂5cm，15～20mm粒徑碎石厚8cm，20～30mm粒徑碎石厚100cm；墊層表面鋪設(shè)漿砌塊石護(hù)坡，護(hù)坡厚0.5m，護(hù)坡坡面設(shè)φ0.05m排水孔，孔距5m，梅花形布置。將原護(hù)坡滿足要求的部分塊石加以利用。

方案1：漿砌塊石護(hù)坡厚度的計(jì)算公式同上文，漿砌塊石密度取2.5t/m3。采用SL274- 2001的有關(guān)公式計(jì)算：

(8)

式中，Lm—平均波長；hp—累計(jì)頻率為1%的波高；b—沿壩坡坡向板長，m；ρc—板的密度，t/m3。

經(jīng)計(jì)算得，大壩護(hù)坡厚度為0.17m。

3.2 防滲處理

采用套井回填+水泥防滲灌漿對(duì)大壩進(jìn)行防滲綜合處理。套井回填黏土防滲墻即利用沖抓式打井機(jī)具，在土壩上造井，用黏土料分層回填夯實(shí)，形成一連續(xù)的套接黏土防滲墻，截?cái)酀B流通道，起到防滲的作用。

根據(jù)地質(zhì)勘查成果，壩體土主要為含砂粉質(zhì)黏土，填筑質(zhì)量較差，現(xiàn)場注水試驗(yàn)滲透系數(shù)K=2.17×10-4～2.41×10-3cm/s，屬中等透水性。因此，本次設(shè)計(jì)初步考慮單排套井回填黏土防滲墻處理。

防滲墻要求有效厚度計(jì)算如下：

T≥△H/J

(9)

式中，T—計(jì)算防滲墻要求有效厚度，m；H—防滲墻承擔(dān)的最大水頭，根據(jù)滲流計(jì)算結(jié)果：△H=2.1m；J—防滲墻允許滲透比降，本次設(shè)計(jì)取J=10。則防滲墻要求有效厚度T≥2.1/10=0.21m。

本次設(shè)計(jì)1.1m沖抓鉆機(jī)成孔，孔距0.8m，理論有效厚度0.75m>0.21m。因此本次設(shè)計(jì)采用單排套井，孔徑1.1m，孔距0.8m。

因此本次設(shè)計(jì)暫考慮大壩左岸坡段采用水泥防滲灌漿，沿壩軸線總長約104m。左岸坡段(壩0+081.00延伸至左岸山體側(cè))防滲底部深入相對(duì)不透水層(≤10Lu)5m。實(shí)際施工時(shí)，對(duì)灌漿的先導(dǎo)孔應(yīng)進(jìn)行簡易壓水試驗(yàn)。

4 結(jié)語

本文某土石壩進(jìn)行加固設(shè)計(jì)與有限元復(fù)核研究，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，并結(jié)合工程實(shí)際確定了治理工程的范圍，計(jì)算得到壩體安全超高，與護(hù)坡厚度，抗滑系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

采用GTS有限元計(jì)算軟件建模分析了壩體滲流狀態(tài)與應(yīng)力分布，滲透主要發(fā)生在壩體上游處，滲透量較小，不會(huì)影響壩體安全。沿壩體上游至下游方向，滲透量逐漸減小，且不存在繞壩滲流的情況。由滲流-應(yīng)力耦合分析結(jié)果，初期滿水位時(shí)，因堤外側(cè)地表面上作用的靜水壓劇減，隨著時(shí)間變化堤外側(cè)上集中了更多的變形。應(yīng)力集中區(qū)主要位于心墻處。算結(jié)果表明滲流量較小，應(yīng)力集中區(qū)位于心墻處。最后對(duì)該水庫提出了加固處理措施，大壩護(hù)坡厚度為0.17m。