賀玉珍

(甘肅省臨夏州水電局河道管理站，甘肅 臨夏 731100)

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略和“一帶一路”倡儀的相繼推進(jìn)，我國(guó)水庫(kù)建設(shè)工程快速發(fā)展，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要的作用，同時(shí)對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉、水力發(fā)電起到了重要的保障作用。然而這些水庫(kù)大壩在經(jīng)歷幾十年之后會(huì)出現(xiàn)老化等問(wèn)題，特別是20世紀(jì)50～70年代修建的土石壩等。因此研究土石壩的治理對(duì)壩體安全具有重要的意義。目前已經(jīng)有許多學(xué)者針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果。張文倬等[1]分析了土石壩滲流等相關(guān)激勵(lì)原則，并且介紹了相關(guān)的治理方法。紀(jì)偉[2]分析了土石壩的特點(diǎn)，從壩體內(nèi)外原因出發(fā)，提出了初步的治理措施，為土石壩治理工作提供了一定的參考。黃勝方[3]分析了土石壩產(chǎn)生危害的類型和原因，分析了裂縫、滑坡等破壞特征產(chǎn)生的原因，提出了綜合智力的方法。陳軍[4]對(duì)土石壩進(jìn)行滲流仿真，研究了滲流產(chǎn)生的原因。李樹楓、孫志明、郭衛(wèi)華、曹國(guó)慶、趙永剛[5- 9]等學(xué)者也對(duì)土石壩的老化原因，加固措施進(jìn)行了一定的研究。馬海兵[10]通過(guò)有限元軟件對(duì)壩體滲流進(jìn)行了分析，并提出了加固方法。

1 基于ANSYS的土石壩滲流計(jì)算原理

本文基于ANSYS的滲流計(jì)算模塊對(duì)沖抓回填土石壩進(jìn)行滲流計(jì)算，通過(guò)理論、微分方程和解析解三個(gè)方面說(shuō)明ANSYS滲流場(chǎng)計(jì)算理論介紹，以說(shuō)明采用ANSYS進(jìn)行計(jì)算的合理性。

1.1 滲流場(chǎng)基本理論

根據(jù)達(dá)西定律可知，對(duì)于多孔介質(zhì)滲流滿足以下方程：

(1)

式中，v—平均流量；Qs—滲流量；ks—深流系數(shù)；J—坡降，A—斷面的面積。

1.2 滲流場(chǎng)微分方程

對(duì)于不可壓縮各向異性非均質(zhì)穩(wěn)定滲流微分方程：

(2)

對(duì)于可壓縮各向異性非均質(zhì)穩(wěn)定滲流瞬態(tài)微分方程：

(3)

式中，h—測(cè)壓水頭；ksx—x方向的滲流系數(shù)；ksy—y方向的深流系數(shù)；ksx—z方向的深流系數(shù)；Ss—儲(chǔ)存量。

1.3 初始條件與邊界條件

滲流場(chǎng)的初始條件：

h|t=t0=h(x，y，z)

(4)

第一類邊界條件：

h|Γ1=h(x，y，z，t)

(5)

第二類邊界條件：

(6)

式中，hsn—沿邊界垂直方向的滲透系數(shù)；qs(x，y，z，t)—邊界上已知流速；?h/?n—滲流場(chǎng)為沿邊界垂直方向的梯度值。理論分析是數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，滲流計(jì)算理論基礎(chǔ)較為完善，通過(guò)ANSYS進(jìn)行滲流計(jì)算模擬也較為成熟。

2 沖抓回填處理土壩滲漏施工設(shè)計(jì)

2.1 沖抓回填處理滲漏特點(diǎn)

(1)工程量小，節(jié)省資源。與使用諸如傾斜墻、止墻或挖掘挖泥機(jī)這些防滲技術(shù)相比，上游回填技術(shù)僅需要一排或兩排井，回填工作量小，同時(shí)大壩建成之后，大壩周圍土體等材料相對(duì)匱乏，因此采用更節(jié)省資源的抗?jié)B技術(shù)具有重要意義。

(2)施工周期短，進(jìn)度快。沖抓機(jī)需要配備的施工人員每組11～19人。只要提前組織得當(dāng)，對(duì)于中小型大壩的沖抓回填需要很短的周期即可完成。

(3)施工工序同時(shí)進(jìn)行，施工器械簡(jiǎn)單。前期施工打套井時(shí)，即可同時(shí)進(jìn)行地質(zhì)勘查，進(jìn)而合理的設(shè)計(jì)深度、厚度。沖抓機(jī)設(shè)備簡(jiǎn)單，上手快，容易維修，對(duì)于施工人員具有很大的優(yōu)勢(shì)。

2.2 施工設(shè)計(jì)

沖抓回填施工工藝流程圖如圖1所示。

圖1 施工公藝流程圖

2.2.1 孔位布置，造孔施工

首先對(duì)壩體頂高等信息進(jìn)行勘察，按照設(shè)計(jì)單位給定的壩體水準(zhǔn)點(diǎn)和設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行孔位布置，在位于套井左右兩側(cè)各10m處設(shè)置固定樁。造孔施工時(shí)必須按照施工圖紙施工，沖抓裝機(jī)必須與中心樁對(duì)準(zhǔn)，在施工過(guò)程中要時(shí)常檢查成孔垂直度，誤差應(yīng)該控制在3‰內(nèi)，沖抓出來(lái)的土方，可以就近在下游坡進(jìn)行利用。

2.2.2 回填夯實(shí)

在庫(kù)內(nèi)灘地挖取黏土料，制作水泥摻入量為5%的水泥土。打井完畢后，應(yīng)立即連續(xù)進(jìn)行分層回填夯實(shí)?；靥钔燎笆紫葯z測(cè)施工土料的含水量，工地試驗(yàn)室測(cè)試后以書面通知施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)檢員，由監(jiān)理確定是否回填。夯土?xí)r要分層夯實(shí)，夯錘擊數(shù)20～25次。夯擊在落錘時(shí)，要保持幾秒鐘的穩(wěn)定時(shí)間，以免造成夯錘碰撞孔壁，降低夯擊功能。回填土的含水量，虛土層厚度，錘擊次數(shù)等。

3 沖挖回填對(duì)土石壩滲透性影響實(shí)例分析

3.1 計(jì)算模型

某土石壩主壩為均質(zhì)壩，壩頂高160m，最大壩高21m。壩頂寬約5.8m，壩頂軸線長(zhǎng)65m。水庫(kù)正常蓄水位155m，設(shè)計(jì)洪水位156m，死水位138m。壩體模型如圖2所示，有限元模型網(wǎng)格采用三角形單元，共劃分66784個(gè)單元壩體，采用鄧肯-張本構(gòu)模型，其他位置選用彈性本構(gòu)模型，計(jì)算采用參數(shù)見(jiàn)表1、2。

圖2 壩體計(jì)算模型

材料ρφKnGD粘土心墻2.10251500.430.416塑型土2.15201000.40.382反濾料2.25457800.50.77主堆石料3.33608900.70.410

3.2 計(jì)算工況

根據(jù)SL274- 2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，確定以下6種工況作為本次計(jì)算的典型工況。

表2 計(jì)算工況

3.3 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)提取ANSYS計(jì)算結(jié)果，提取各工況下最大滲流速度、單寬滲流量、平均滲流坡降、滲流溢出點(diǎn)高程和滲透比降計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 滲流計(jì)算結(jié)果

(1)最大滲流速度

由表3可知，土石壩加固前后，最大滲流速度分別減小了96.77%、96.53%、96.4%。通過(guò)分析說(shuō)明，沖抓回填加固后土石壩的滲流速度具有很大程度的降低，表明沖抓回填加固對(duì)控制滲流速度起到很重要的作用。

(2)單寬滲流量

由表3可知，土石壩加固前后單寬滲流量分別減小了72.69%、73.23%、71.74%。通過(guò)以上分析可知，沖抓回填加固后，土石壩的單寬滲流量有了大幅度的降低，表明沖抓回填對(duì)于控制土石壩的滲流量有重要的作用。

(3)最大平均滲透坡降

由表3可知，通過(guò)加固，最大平均滲透坡降加固后比加固前有了相當(dāng)大程度的提升，主要是加固后土石壩的防滲能力增強(qiáng)，防滲效果明顯提升，致使防滲墻的浸潤(rùn)線下降明顯，從而導(dǎo)致最大平均滲透坡降急劇增加。

(4)溢出點(diǎn)高程

由表3可知，加固前和加固后土石壩在三種工況下溢出點(diǎn)高程，分別下降5.8m、9.15m、9.68m，加固前滲流溢出點(diǎn)高于貼坡排水頂部，滲流對(duì)大壩下游邊坡穩(wěn)定性影響較大，加固后溢出點(diǎn)高程降低，對(duì)下游邊坡穩(wěn)定性影響小于對(duì)加固前邊坡穩(wěn)定性的影響，說(shuō)明沖抓回填加固對(duì)下游邊坡穩(wěn)定具有很重要的作用。

(5)溢出點(diǎn)滲透比降

由表3可知，加固前后滲透比降分別下降89.70%、93.20%、84.07%。滲透比降作為一種校核下游壩坡穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，通過(guò)以上分析可知，加固后溢出點(diǎn)滲透比降大幅度降低，說(shuō)明采用沖抓回填加固對(duì)土石壩滲透坡降降低效果降低明顯，能明顯相抵滲透比降。

(6)壩體抗滑穩(wěn)定性分析

大壩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與設(shè)計(jì)值見(jiàn)表4。

表4 各工況下大壩安全系數(shù)

根據(jù)規(guī)范，壩體在正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，安全系數(shù)應(yīng)該不小于1.25，特殊工況下安全系數(shù)不應(yīng)小于1.15。通過(guò)計(jì)算可知，各種工況下的最小安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，此種施工加固方法是合理的，壩坡不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)。

4 結(jié)論

(1)利用ANSYS的滲流模塊對(duì)沖抓回填加固前后的土石壩進(jìn)行滲流模擬分析，計(jì)算結(jié)果表明：采用沖抓回填加固對(duì)土石壩滲流具有很好的控制作用，對(duì)于土石壩的除險(xiǎn)加固具有積極作用。

(2)沖抓回填加固后，土石壩的最大滲流速度、單寬滲流量、溢出點(diǎn)高程、溢出點(diǎn)滲透比降，均有較大程度的下降，表明沖抓回填加固對(duì)土石壩滲流控制具有重要作用。

(3)沖抓回填加固后，土石壩的最大平均滲透坡降急劇上升，從而表明土石壩的浸潤(rùn)線急劇下降，對(duì)于土石壩的安全具有重要作用。