（农业工程专业论文）黄壁庄水库土石坝渗流稳定及防渗加固措施应用研究.pdf

摘要 土石坝具有造价低、结构简单，对自然条件的适应性强，抗震性能好，可靠、寿命长、施工 管理简便等优点而被广泛应用。在土石坝中，因渗流引起的滑坡、渗透破坏尤为严重，合理正确 地对土石坝进行渗流分析是必不可少的。 论文结台河北省黄壁庄水库的除险加固展开研究，在总结前人研究成果的基础上，进行了以 下几方面的研究： 1 系统分析总结了前人对土石坝渗流计算和理论研究的方法和特点，研究了渗透破坏的各种 形式和防止渗流的各种技术措施。 2 总结了影响坝体渗流的主要因素，建立了土石坝的渗流分析模型、稳定计算模型，对土石 坝的稳定一非稳定渗流有限元理论和算法进行了系统研究，对坝体、坝基的防渗和坝体的稳定性 进行了计算分析，并提出了防治土石坝渗流增加坝体稳定性的技术措施。 3 为检验黄壁庄水库副坝坝体、坝基采用各种防渗治理措施后的治理效果，论文对各种工况 下和不同防渗措旌下的渗流场、渗透破坏范围等进行了详细的数值计算和研究。研究结果和现场 实际观测结果较为吻合，证明了计算的正确性。 4 对同类土石坝的防渗和加固提出了一些技术措旖。 关键词：土石坝，渗流。稳定性，数值计算，防渗措施 a b s t r a c t 1 1 l ee a r t h - r o c k f i l ld a mh a sm a n ym e r i t s ，f o ri n s t a n c ec o s tl o w l y , s t r u c t u r ei s s i m p l e s t r o n g a d a p t a b i l i t yt on a t u r a lc o n d i t i o n ，g o o dp e r f o r m a n c eo fe a r t h q u a k er e s i s t a n c e ，m f i a b l e ，l o n gs e r v i c el i f e ， c o n s t r u c tc o n t r o li ss i m p l ea n d ：g o0 0i ti sw i d e l ya p p l i e d i ne a r t h - r o c k f i l ld a m , t h el a n d s l i d e ，s e e p a g e d e s t r o y sc a u s e db ys e e p a g ei se s p e c i a l l ys e r i o u s ，s or e a s o n a b l ya n dc o r r e c t l ys e e p a g ea n a l y s i st oe a r t h r o c k f d ld a mi se s s e n t i a l t h et h e s i si n c o r p o r a t e dr e i n f o r c e m e n to fh e b e ip r o v i n c eh u a n gb i z h n a n gr e s e r v o i rt 0s p r e a d r e s e a r c h ，t h et h e s i sh a sc o n d u c t e df o f l o w t h gs e v e r a la s p e c t sr e s e a r c ho nt h eb a s i so ft h es u m m a r yt o t h ep r e d e c e s s o rr e s e a r c hr e s u l t s ： 1 s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e da n ds u m m a r i z e dt h em e t h o da n dc h a r a c t e r i s t i ct ot h ee a r t h - r o c k f i l l d a ms e e p a g ec a l c u l a t i o na n dt h et h e o r yr e s e a r c hc o n d u c t e db yt h ep r e d e c e s s o r , h a ss t u d i e de a c hk i n d o fs e e p a g ed e s t r o yf o r ma n de a c hk i n do fa n t i - s e e p a g et e c h n i c a lm e a s u 挥 2 s u m m a r i z e dt h e p r i m a r yf a c t o r w h i c hi n f l u e n c ed a ms e e p a g e ，h a se s t a b l i s h e dt h e e s r t h - r o c k f i l ld a ms e e p a g ea n a l y s i sm o d e l ，s t a b i l i t yc a l a u l a f i o nm o d e l ，h a v ec o n d u c t e ds y s t e m r e s e a r c ho ft h ef i n i t ee l e m e n tt h e o r ya n da l g o r i t h mt ot h ee a l t hr o c k f l l ld a ms t a b l e - - u n s t a b l es e e p a g e ， c a l c u l a t e da n da n a l y l y z e dt h ea n t i s e e p a g eo fd a mb o d ya n dd a mb a s ea n dt h es t a b i l i t yo fd a m ，a n d p r o p o s e dt h et e c h n i c a lm e a s u f eo fp r e v e n t i n ga n dc o n t r o l l i n gs e e p a g ea n di n c r e a s es t a b i l i t yo fd a m b o d y 3 i no r d e rt oe x a m i n et h ee f f e c tt ot h ev i c e - d a r nb o d ya n db a s eo fh u a n gb i z h u a n gr e s e r v o i r u n d e re a r c hk i n do fa n t i - s e e p a g et e c h n i c a lm e a s u r e ，t h et h e s i sc a r r i e do nd e t a i ln u m e r i c a lc a l a f i o na n d r e s e a r c ho fs e e p a g ef i e l d s e e p a g ed e s t r u c t i o ns c o p ea n d o nu n d e re a c hk i n do fo p e r a t i n gm o d ea n d a n t i - s e e p a g em e a s u r e ，皿er e a r c hr e s u l ta n dt h eo b s e r v a t i o nr e s u l ti sc o n s m t e n t ，h a sp r o v e nt h e a c c u r a c yo ft h ec a l c u l a t i o n 4 p r o p o s e ds o m et e c h n i c a lm e a s u r e so fa n t i - s e e p a g ea n dr e i n f o r c e m e n tt os i m i l a re a r t h r o c k f i l l d a m s k e yw o r d s ：e a r t h - r o c h i l ld a m ，s e e p a g e ，s t a b l i t y ，n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ，a n t i s e e p a g e m e a s u r e m e n t s 附件： 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取锝的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我同一工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 乃粥 时间：洲年j 碉叫日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅：学校可以用不同方式在不同媒体 上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩写或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 研究生签名： 导师签名： 均辑气 砖1 案己p 1 l 时间：厶钐年，月湘 时间：年月日 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 液体在孔隙介质中的流动称为渗流。渗透水流所占的空间区域称为渗流场。渗流场最基本 的表征量有两个：流速和水头。前者是矢量后者是标量。渗流按其运动要素是否随时间变化 可分为稳定渗流和非稳定渗流。稳定渗流也称为定常渗流，其基本表征量均不随时间的变化而 变化；非稳定渗流也称为不稳定渗流、瞬变渗流或非定常渗流，其基本表征量是随时间的变化 而变化的。渗流问题的研究在水利电力工程、石油开采、地下水资源的开发利用、排水和灌溉、 水力学、水文地质、土壤科学及环境工程等领域中都十分重要。 目前水利水电工程中与渗流有关的主要问题有：土石坝与堤防的管涌、流土现象、岩体的 裂隙渗流、坝肩的绕坝渗流、闸基渗流、地下厂房的围岩渗流问题、反滤层中的接触流现象； 基坑降水、土石坝的土体与岩基或混凝土的接触谣问的接触冲刷现象、过大的集中流量和流速 对坝基和坝体的冲刷破坏、过高的坝基扬压力和孔隙水压力对坝体和坝基稳定性的影响、水位 骤降、骤升对土石坝及堤防渗流场的影响导致迎水面崩塌等。在水库安全鉴定中，大坝安全至 关重要，而渗流问题又是大坝安全的关键之一。据国内外大量资料证实，在失事的大坝中有 4 0 5 是由渗透破坏引起的。1 9 5 9 年法国的马尔巴塞拱坝失事、1 9 6 4 年巴尔德温山坝由于铺盖 与基础接触面产生渗透破坏而失事、1 9 7 6 年提堂坝由于右岸一个窄断层发生渗透破坏而在不到 6 小时就产生了垮坝事故和1 9 9 3 年我国的沟后水库失事就是例证。土石坝作为一种最古老的水 工建筑物，迄今仍不失去其发展的光辉，并成为当前世界已建成的最高坝型( 如前苏联高3 3 5 米 的罗贡土石坝) 。目前在国外，土石坝所占比重达6 2 以上。在我国，己建成的8 万多座大坝中， 土石坝也占据很大的比例，土石坝在我国还有根大的发展前途。土石坝具有造价低、结构简单、 对自然条件的适应性强、抗震性能好、工作可靠、寿命长、施工管理简便等优点，因而被广泛 采用。因此，更应关注土石坝的安全。在土石坝中，渗流问题又是关键，渗流一方面产生一定 的渗透作用力，另一方面造成水量的损失还可能造成土的流失，使大坝丧失稳定。渗流对土 石坝的危害主要在两个时期：稳定渗流期和库水位骤降期。稳定渗流期，一般时间较长，渗流 区域内各点的水头值不随时间变化；而库水位骤降时，渗流区域内各点的水头值随时间而变化， 渗流力的方向随时问变化。坝体内的自由水面滞后于库水位的降落，非稳定渗流所产生的渗流 力，将使土粒间的有效应力减小，从而降低土的抗剪强度，对土石坝的稳定造成影响。其它国 家以及我国1 9 8 1 年调查资料表明【l 叫由于渗流冲刷破坏失事的土坝占所有失事土石坝的4 0 ， 与渗流密切相关的滑坡破坏也占1 5 左右。因此，要对渗流问题引起足够的重视，如何方便、 正确地进行渗流分析是解决好岩土工程设计的一项重要工作。 近年来，有限差分法、有限元法( r e m ) 、边界元法o j e m ) 等数值计算方法在工程结构分析 中得到了“泛的应用。围绕这些方法，在渗流分析方面也出现了许多方法，但由于渗流问题本 身的复杂性，各种方法都存在着一定的局限性 。在实际工程运行中库水位经常发生变化，对库水位变化引起的非稳定渗流问题，自由面边 界、溢出面边界处理方法的不同对计算结果的影响很大。因此，如何合理地模拟分析库水位变化 引起的非稳定渗流是一个亟待解决的问题。 本文利用有限单元法的基本原理对非均质土石坝的稳定、非稳定渗流问题进行了系统的研 究。 1 2 渗流计算的发展 土石坝的渗流计算的方法有：流体力学法、手绘流网法、水力学法、数值解法和模拟试验法， 而后三者实际上都源于流体力学法。土石坝渗流计算的理论基础为达西定律，达西定律是法国学 者达西在1 8 5 6 年根据对砂土渗透实验总结出来的规律，即在层流状态下，渗透坡降与渗透流速 成正比： ，t o r ( 卜1 ) 式中： v 渗透流速，c m s j 渗透坡降 k 一渗透系数，c m s 随后，在1 9 世纪8 0 年代，福奇赫梅论证了渗流场内的渗透压力和流速的分布可用拉普拉斯 方程式表示。在一般情况下，稳定渗流的拉普拉斯方程式的形式为： 宴+ 粤+ 粤o 缸2a v 。a z 。 ( 1 2 ) 而对穿过土石坝的渗流来说，通常都按二向问题来处理。此时上式可简化为： 警+ 窘- o ( 1 - s ) 缸却 式中h 为压力水头。 所谓流体力学法，就是结合渗流场的具体边界条件对上述拉普拉斯方程式求出解析解。而土 坝的边界条件往往很复杂，要求其解析解极为困难。因而流体力学法难以适用于土石坝工程设计。 然而，福奇赫梅尔在1 9 1 8 年根据拉普拉斯方程式的基本特性用流线方程和等水头线方程所构成 的“流网”，却得到了广泛的工程应用。从3 0 年代起，美国便广泛利用“手绘流网法”解决渗流 问题确定渗透坡降，判断是否会发生管涌或流土。 工程中实用的另一种方法是水力学法。水力学法是带有一。定假定条件的近似的土坝渗流计算 方法，其基本假定是达西定律和杜平假定，而不去解拉普拉斯方程式。水力学法中由于利用了杜 平假定( 即假定等势线为直线) ，因而使问题大为简化。只要土石坝坝体或其中一部分能符合或 近似符合杜平假定条件，都可以按杜平假定所推导的公式求解。然而该法只适用于平面渗流情况， 其解答不能象流体力学法那样可求出渗流场内任意点的渗流要素，而只能给出浸润线的位置及某 一渗流截面的平均要素。由于确定土坝渗透系数时其误差往往也较大，水力学法求得的解的精度 已能满足工程设计的要求，因而该法得到了广泛的应用。 应该指出的是，用水力学法求解透水地基上的士坝渗流问题时，是将坝体与坝基分开考虑的， 即：计算坝体渗流时，认为坝基不透水，坝体渗流计算的方法与不透水地基上的相同；计算坝基 渗流时，认为坝体不透水。坝基渗流按有压渗流计算。两部分渗流量之和是总渗流量。其实，在 这种假定下所算得的总渗流量比实际的小，浸润线的位置比实际的高。合理的计算应将坝体与地 基作为一个整体考虑。近年来，由于电子计算技术的进步，用有限元法解土坝渗流问题也得到了 发展，采用有限单元法时，渗流场的微分方程式结合定解条件( 边界条件和初始条件) 的解答。 可用变分原理求泛函极小值的方法得到。有限单元法对边界的适应性好，能解决复杂的土坝渗流 问题( 包括空间问题) 5 1 。 1 3 渗流控制 1 3 1 渗流控制的内容 渗流问题在外观上主要是建筑物及其地基侧岸的渗流破坏和漏水，重点是岩土的渗透破坏或 变形，而引起破坏的内在因素则是渗流水的作用。因此需要通过探测、计算或实验来查明渗流场 的分布，或结合不同类型建筑物查明容易发生渗流破坏的部位，着重探明以下水力因素： 1 渗流水头( 渗透压力及浸润线) 2 渗流坡降( 渗流流速及渗透力) 3 渗流量 因此，对渗流控制的要求应概括为： 1 控制下游的剩余水头或漫润线减轻下游护坦的浮托力，或降低浸润线和两侧岸渗出水面 的高度，增强下游边坡的稳定性，控制一定地下水位，以保护农田不致因兴修水库和灌溉渠道所 形成的渗流抬高地下水位而致害。 2 控制渗流坡降或流速，不致发生渗透变形，保证地基和坝体的稳定性。 3 控制渗流量使漏水量最小。在最大经济利益原则下，也允许增大渗流量，从工程安全考虑， 控制渗流量并非主要问题，但渗漏水量的增高，却是工程安危发展趋势的预报嘲。 1 3 2 渗流控制的发展 渗流控制包括控制理论和控制技术两个方面。控制理论是指基本理论原理和方法，控制技术 是指基本原理的实施措施，如灌浆、防渗墙等技术。渗流控制包括渗流量及安全控制两个方面， 对绝犬部分t 程，安全控制比渗流量控制更重要。土石坝是挡水建筑物，它和渗流同时存在，有 土石坝就有渗流，土石坝的发展史也就是渗流理论和渗流控制技术的发展史。 渗流控制理论的发展 ( 1 ) 布莱法 1 9 1 0 年，布莱首先提出了以渗径长度控制渗流的概念，成为著名的布莱法则，称为爬行比理 论，即： 工2 c h( 1 - 4 ) 式中：l 一地基防渗轮廓水平段的长度： c 一作用于水工建筑物上的水头； h _ 一系数，也称为爬行比，取决于地基上土壤的种类。 随着渗流理论的发展，布莱法则发展为： h1 lc ( 1 - 5 ) 即： i h j 平均s ，布。允许 ( 1 - 6 ) 式中； j 平均一沿水平防渗轮廓的平均水力比降； j 布。允许一布莱的土壤允许抗渗比降。 布莱法则首次给如了渗流控制的水力要素是水力比降，并给出它与地基之间的关系。以后发 展为以平均水力比降设计建筑物尺寸的渗流控制方法。1 9 2 2 年，h h 巴甫洛夫斯基提出渗流控制 的原则为控带i 渗流出口处的水力比降不超过土壤允许值，并以此原则设计水工建筑物的尺寸，即： j 出口s j 允许 ( 1 - 7 ) 式中： j 自口一地下轮廓渗流出口处的水力比降； j + 。一地基实际的允许水力比降。 这种方法同样是以渗径长度控制渗流的概念，但比布莱法在理论上前进了一大步。 ( 2 ) 防渗与排渗相结合的阶段 1 9 2 2 年太沙基首次用反滤层保护渗流出e 1 ，成功解决了水闸的渗透破坏问题随后提出第一 个无粘性土的反滤层设计准则，从此渗流控制由单纯的防渗开始进入防渗与排渗相结合的阶段。 ( 3 ) 防渗与排渗相结合，加强反滤，保护渗流出口的阶段 理论和工程实践说明，渗流量的大小不能直接说明渗透稳定性，有些建筑物尽管渗流量很小。 仍然遭到渗透破坏。建筑物地基的安全主要取决于渗流出口的渗透稳定性。2 0 世纪7 0 年代末期， 己明确提出反滤层保护渗流出口是保证建筑物安全的首要措施。随后进一步提出渗流控制的原则 是以防渗和排渗相结合，以反滤层为后盾。从8 0 年代起土石坝的渗流控制理论及实践进入了一 个新的阶段l “。 4 渗流控制措旌及进展 土坝事故主要有渗透变形、滑坡和开裂，其中渗透变形最为主要其他两种事故也与渗流作 用有关。渗透变形是土壤在渗透水流作用下产生的破坏，可导致水工建筑物失事。渗透变形主要 有以下几种形式【1 0 l ：管涌、流土、接触冲刷、接触流土和接触管涌。 渗流控制的具体措施一般分为水平防渗与垂直防渗两类。但是只凭防渗措施企图完全截断渗 流是不现实的。因此必须同时采取适当的排渗措施，排除渗透水流，进一步降低下游坝基的剩余 水头，保持土坝渗透稳定。 ( 1 ) 水平防渗措施 这种措施旨在坝上游填筑粘土铺盖或复合土工膜，与坝体防渗体相连接。利用铺盖防渗必须 满足的条件是：铺盖下卧冲积层内的渗透坡降不能超过其允许渗透坡降。 对铺盖填土渗透稳定的要求：通过铺盖的渗透坡降不能超过其允许渗透坡降： 对渗流出口渗透稳定要求：坝下游渗流出逸处和剩余水头不致产生渗透变形； 对渗流量损失的要求：小于其允许的损失水量。 ( 2 ) 垂直防渗措施 对透水地基来说，垂直防渗措施比水平防渗措施截渗效果更为显著。特别是渗漏量的减少更 为突出。2 0 世纪8 0 年代以来新发展的垂宣防渗措施主要有以下几种：劈裂灌浆、高压喷射灌浆、 垂直铺塑、坝基岩溶反滤料灌浆、液压抓斗防渗墙、倒挂井防渗墙、射水造孔混凝土墙等。这些 新技术在实际中都得到了很好的应用【1 1 j 。 1 4 土坝安全监测及存在的问题 自动化监测是大坝管理发展的方向。可以对大坝傲到实时安全监控。自动化监测是在大坝内 安设观测仪，由传感器转换信号将数据输送到微机内，再经过一定的程序运算、专家系统判断得 出水库的运行状况。从而减少了主观误差，使判断更迅速、准确，在险情的预报和抢救中节约了 宝贵时间，减少了灾情的发生，提高了管理质量。国外像美国、法国、意大利、加拿大和瑞士等 已建立大坝观测自动化系统，有的已取得很好的效果。我国整体来说在这一方面还有一定差距， 尤其是士石坝。2 0 世纪9 0 年代初水利部建立了第一个大坝现场实时安全监测系统，到目前一直 运行正常。鸭河口水库也已成功开发应用微机系统进行数据采集，并采用人工智能进行数据分析 处理、预测和报警l l “。 目前，在犬坝自动化监测工作中也还有许多问题，主要是： 1 、安全观测设施不够完善，大型水库的观测设施有4 0 急待补设、完善，大部分中型水库 还没有观测设施。 2 、很多水库的观测资料没有及时整编分析，未能起到安全监控的作用。观测数据的收集和 处理目前使用计算机的还是少数，基本上还是手工操作，费工费事，工作量大，一时难以完成。 3 、目前，在分析结果的评定上，人部分采用设计时的渗透系数来计算，但由于勘探施工以 及运行中的不确定因素，使得大坝实际渗透系数与设计时并不完全一致，甚至相差很大，如果仍 5 采用设计时的渗透系数进行分析，必然会导致判断失误。 4 、目前，虽然在渗流分析上已经取得了一些成果，在几个水库上实现了微机管理，但在渗 流分析控制理论上还很不完善，仍存在理论、分析方法和控制理论技术研究等不足，需要进一步 研究。 5 、有些水库虽然已经应用了数据自动采集系统，但缺乏相应的专家诊断系统，利用率很低”】。 1 5 本课题主要研究内容 系统总结影响坝体渗流的主要因素，分析渗流计算的各种方法： 采用有限元法分析库水位变化过程中渗流参数变化时坝体的渗流变化规律； 利用f l a c 3 d 程序对土石坝，尤其是防渗体进行计算，研究坝体、防渗体的应力和变形规律； 提出防止土石坝渗流、增加土石坝稳定的技术措施，并从理论计算和实际观测两个方面验证 了这些措施的适用性。 6 第二章土石坝渗流计算原理及防渗加固措施 2 1 达西定律 在各向异性的多孔介质中流动的液体，当其运动的惯性力可以忽略不计，而水力坡降大于起 始坡降时，其流动满足线性阻力的达西定律。达西定律的一般形式为： ( 2 1 ) 或写成向量式为：v f - k - v h 。 式中：k 、v ，、也为x 、y 、z 三个渗透主轴方向上的达西流速，k 。、k ，、k ：为x 、y 、z 三个渗透方向上的主渗透系数，h ( x ，娴为渗流场中各点的测压管水头，它是压力水头与位置高度 之和，即： h 。旦+ z r 式中：p 为压强， f 为液体的容重。对稳定渗流，流速水头忽略不计，因此，测压管水头就 代表单位重量液体的能量。 达西定律的线性关系具有一定的适用范围：它只适用于线性阻力关系的层流运动。不过在水 利工程中，绝大多数渗流均属于层流范围，达西定律都可以适用| 1 4 , 1 5 】。 2 2 连续性方程 图21 微单元体 水流运动的连续性方程，可从质量守恒原理出发，考虑可压缩土体的渗流加以引证，即渗流 场中，水在某一单元体内的增减速率等于进出该单元体流鼍速率之差。例如图2 1 所示的微分单 7 一缸胁一秒狮一瑟 m 囊 = i - 叱 圪 元体d x d y d z 由质量守恒原理得；水体质量在单元体内积累的速率，应等于单元体内水体质量m 随时间的变化速率，即： 一0 m 生删。划 ( 2 - 2 ) 0 t0 ta t 推导可得： 一( 誓+ 鲁+ 鲁卜偌k + 纠堕o t c z i 缸秒把j 一 式( 2 - 3 ) 为可压缩饱和土体中渗流的的连续性方程。 考虑水和土全为不可压缩时式( 2 - 3 ) 变为 堡+ 兰+ 竺。o( 2 - 4 ) 缸 却 越 式( 2 - 4 ) 为不可压缩流体在刚体介质中流动的连续性方程，说明在任意点的单位流量或流速的净 有改变率等于零。也就是说，单元体中水体质量的净有改变率是零。单元体在某一个方向的改变 必须与其他方向相反符号的改变相平衡【。 2 3 渗流基本微分方程 将达酌定律 匕。k x o，h，v，。ky罢，叱ioh-kx - k y - k z ( 2 _ 5 ) 匕。 船，”，。面，”：。否 2 。5 代入式( 2 - 4 ) 则得到稳定渗流的微分方程式： 鲁( t 罢) + 专( 七，詈) + 丢卜芸) 。 c z 6 ， 当各项渗透性为常数时，( 2 6 ) 变为： t 订a 2 h + k y 窘咄窘；o 协，) 此式为不可压缩流体在刚性介质中流动的连续性方程。该方程既适用于承压含水层中的渗 流，也适用于自由面的无压渗流：即适用于稳定渗流，也适用于非稳定渗流，区别在于结合面变 动的边界条件所得到的水头分布，稳定渗流时，只是坐标函数，而非稳定渗流是坐标和时间的函 数【1 4 j 。若为各向同性，即女，= k ，；k ：时，则式( 2 - 5 ) 变为拉普拉斯方程式： 粤+ 粤+ 宴；o ( 2 - 8 ) 萨+ 矿+ 矿利 8 上式只有一个求知数，结合边界条件就有定解。 2 4 有自由面稳定渗流计算的定解条件 一般有自由面稳定渗流的定解问题，其控制微分方程( 2 - 5 ) 边界条件往往包含水头边界条件、 流量边界条件及混合边界条件。由于水库坝轴线较长，可认为沿坝轴线方向的地下水流特性基本 一致，因此忽略地下水流沿坝轴线方向的流动，将其简化为二维稳定渗流问题。下面只讨论有自 由面的二维稳定渗流问题。 设q c r 7 表示所研究的整个渗流场区域( 图2 2 ) ，d 表示0 中的饱和区域，a q 是它的边 界。记胎( 蔫：) 表示平面中的点，a q 包括四部分：不透水边界r t ，同大气接触的边界r ，已 知水头值的边界l ，出渗面边界l ，其中只有l 是给定的，e 、r ，、l 均是未知的l l ”q 。 图2 2 渗流场区域 r 3 上的挣水压力由r ( h j z ) 给定，为了一致起见，我们把这个函数延拓到r 2 上，即令 p 咄虬嵋黼l v t v ( 詈+ z ) 一。 在。上 n t v ( 詈+ z ) 4 。在l 上 阮) l 上 p - p o在r 3 上 9 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 ，1 3 ) # 噎p v o ( 予+ ：) ；。在l 上 c z - ，。， 式中：k 为渗透系数，p - p ( x ，y ) 为渗流场中的压力分布，r 为液体的容重，n = 如，) 为区域d 的求解带来了很大困难在出渗面边界r 4 上：产跚且n 七v ( 詈+ z ) s 。保证了该渗流问题 2 5 渗透稳定性分析 2 5 1 流网绘制 绘制流网的根据是流网的两个性质：流线与等势线或等水头线的正交性；各个网眼的平均长 宽比的不变性。 绘制流网耍结合渗流场的边界条件，以地下轮廓线为零值流线，下面地基的不透水层为最末 一根流线，中间的流线形状是按照边界形状逐渐过渡的。同样，下游河床为零值等势线，上游河 床为最末的等势线，其间的等势线也是逐渐过渡的。 对于无压的土坝渗流，绘制流网时，必须先绘制浸润线，再沿浸润线分成若干等水头的间隔， 顺着边界形状画等势线和下一根流线的曲线网格。由第五章可知，经有限元计算，可求得浸润线、 等势线和流线，把这些坐标值输入程序当中，即由微机自动绘制出流网图。 2 5 2 渗透稳定分析 根据第一章的叙述可知，坝体的渗透破坏总是开始于渗流出口然后向深处发展，所以渗流稳 定与否重点在于渗流出口处的渗流状态。因此渗透稳定分析就是求出渗流出口处的渗透坡降f ， 将其与允许渗透坡降【f 】相比较： r=i一il(2-15) 若其差值r o ，坝体就稳定：若其差值r = 0 ，坝体处于临界状态；若r ，0 ，则坝体不稳定， 应采取措施。 通常求渗透坡降f 有以下两种方法： 第一种方法就是在有限元剖分所形成的网格上，根据渗流计算所求得的各点水头计，算出渗 流出口处的渗透坡降，如图2 3 所示为渗流出口处任一单元，假设渗流方向向上其中： 1 0 h 1 ，h 2 ，b ，1 1 4 分别为结点心1 ，2 ，3 ，4 的渗流水头： 1 1 3 ，l “分别为结点1 ，3 之间与结点2 ，4 之间的距离。 l ( b o 2 ( h 2 ) 所需求解区域如下图所示 4 n 1 4 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) if ! ； 、 ， 一 ， ， 7 i? 玲、 一 i ，j 乳、 ，1【i 【、 。11 ；l ；11 1 l | f |；l 闰2 4有限元网格渗流稳定分析计算区域示意图 一般来说只有画斜线的这一部分单元需要计算。另一种方法就是用流网来计算渗透坡降 假设箭头方向为渗流方向，方法如下： l ( h o 斗2 0 1 2 ) 图2 5 _ | 厂一 ，学 2 一 图 生 一 + 一2 ，一 一 砷 重 却 幽 鼓 “ 竺世 址 h 图2 6 流丽渗流稳定计分析计算区域示意圈 稳定分析时，一般只对图中斜线所示部位进行计算，假设流场1 、2 、3 、4 为从斜线部分任 意取出的一个流场，流场数为n ，则根据水力学原理，有： 况。 j l 。皇也( 2 - 1 9 ) n l 。! l 生生 2 ， 6 h l _ 一 型 式中：1 1 1 ，h 2 分别为上游水头与下游水头； 1 1 2 ，b 4 分别为1 ，2 点之间与3 ，4 点之间的距离。 可任选一种方法计算渗透坡降然后将所得值与允许渗透坡降相比较 2 6 土石坝渗透破坏破坏机理和防止措施 2 6 1 渗透破坏类型 ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) 即可判断堤坝安全状 土石坝是最普遍采用的一种坝型 t g - 2 t 】。不论是在全世界还是在中国，与其他坝型相比较，土 石坝都占绝对优势，占大坝总数的8 2 9 ，在中国土石坝数量占到大坝总数的9 3 ，且大多是在 新中国的第一个五年计划( 1 9 5 3 1 9 5 7 年) 和第二个五年计划( 1 9 5 8 1 9 6 2 年) 大跃进时期以 及十年“文革”期间修建，这些工程都是在“三边”( 边勘测、边设计、边施工) 工作方式下进 行并完成的。特别是小型水库更是存在“四不清”( 来水域、流域面积、库容、基础的地质情况 均未调查清楚) 就动工修建。不少的工程虽然完成，但工程质量很差，“后遗症”很多，留下了 隐患，经过了近4 0 年的运行，造成了大批的病险水库。 根据1 9 8 1 年的统计资料，我国由渗流引起的破坏事故率约占3 1 7 。至1 9 8 1 年，全国有2 3 9 1 座水库失事，其中大型1 1 座，其余为中小型1 2 1 - 2 4 】。由于中小型水库缺少水文地质资料，漫坝冲 垮者占5 1 5 ，其次就是渗漏导致垮坝，占2 9 1 ，说明由于渗漏而造成的溃坝问题是相当严重 的。 渗流破坏分类 根据渗流破坏机理不同，渗漏主要分为以下几种： ( 1 ) 坝体渗漏 浸润线从坝坡逸出将导致坝坡湿润或沼泽化：这种现象一般发生在均质坝或混合土料坝型 中过商的浸润面增加了滑坡的可能性，同时由于渗流的长期作用和气温及降雨的影响。坝坡土 体的抗剪强度减小，局部渗透破坏，滑塌的可能性加大。 下游坝面出现集中渗漏：坝体在分层填筑时土层较厚。施工机械的功率不足，致使每层填土 上部密实，f 部疏松，形成水平集中渗漏带，有的坝由于施工组织落后，特别是大规模的人工填 筑施工，由于采用分段包干的填筑方法，土层厚薄不一，上升速度不一致，致使相临两段的接合 部位出现了少压或漏压的松土带。 坝体裂缝渗漏：坝体开裂是形成坝体隐蔽渗漏的原因之一，由于心墙或斜墙后坝壳一般是强 透水的土料，通过裂缝的集中渗漏将在坝壳中扩散，因而难以发现集中渗漏区，根据坝壳浸润面 观测成果也难以判断渗漏的存在。 ( 2 ) 坝后地面渗漏 土石坝外坡坝后地面出现砂沸、砂环、泉涌、管涌或沼泽化是经常遇到的渗漏现象其成因 与地层的构造及未能采取有效的渗流控制有关。 对表层透水性较小的粉细砂、淤泥或壤土，其下为强透水的砂砾石或砂层地基，若坝后没有 采取排水减压措施( 减压井、减压沟) 或有丰| 水设施，但是由于这种地层的潘流出逸坡降较大， 当出逸坡降大于表层土的临界坡降时，坝后地面即出现砂沸等破坏现象。 ( 3 ) 坝基渗漏及非正常渗漏 许多在特殊历史时期建造的土石坝不是根据坝工理论按照规范来进行的，许多土石坝开工建 设前未作前期的水文地质工作或地质勘探过于粗糙，因而使得土石坝工程甚至大型土石坝工程竟 然未作任何防渗处理。 ( 4 ) 接触部位渗漏 在坝体与坝基，坝体两次墙、齿墙与涵管( 小型水库常见) ，坝体与两岸山坡防渗设施与破碎 基岩之间的各种接触部位，由于设计和施工等多方面的原因往往容易成为渗漏的捷径而发生接触 冲刷甚至垮坝失事。 ( 5 ) 绕坝渗漏 坝的两岸山体裂隙、节理发育或有断层和岩溶，或为透水的第四纪堆积层，则绕坝渗流除影 响山体本身的安全外，对坝体和坝基亦有不利的影响。 2 6 2 渗流破坏机理 坝体和坝基的渗流控制是保证土石坝安全的一项重要措施，由于填筑土石坝的土料和坝基的 砂砾是散粒体结构颗粒间存在在大量的孔隙，都具有一定的透水性。水库蓄满后，在水压力的 作用下，水流必然会沿着坝身土料、坝基土体和坝端两岸地基中的孔隙向下游渗流，造成坝身、 1 3 坝基和绕坝的渗漏。若这种渗流是在设计控制之下，大坝部位的土体都不会产生渗透破坏，则为 正常渗流，此时渗流量一般较小，水质清澈透明，不舍土体颗粒，对坝体和坝基不致造成渗透破 坏；反之，能引起土体渗透破坏，或渗流量过大且集中，水质浑浊，透明度低，使坝体或坝基产 生管涌、流土和接触冲刷等渗透破坏，这种影响蓄水兴利的渗流则为异常渗流。 对于已建成的土石坝，如何确定异常渗流及其危害性是一个比较复杂的问题，首先要对坝址 的工程水文地质有比较充分的了解，坝的设计及旅工也与渗漏有密切的联系，由于地质勘探的有 限钻孔只能揭示坝址地层的有限情况、局部的弱点，例如节理、裂隙、溶洞、断层及强透水带的 情况往往难以再清，另外，坝的防渗体和捧水设施设计的正确程度、施工质量难以达到理想的境 界、由于施工而引起的渗流薄弱环节更非人们所能预料，而且土石坝内防渗体开裂也是经常遇到 的问题。 水库建成蓄水后，大坝及其他建筑物连同山体，构成挡水防渗体系。土石坝的防渗体系发生 破坏、产生管涌流土等事故的原因，涪控制理论分析认为一般有以下几点： ( 1 ) 坝体填士与排水体之间的反滤层设计不正确，层间系数过大，或施工时有错断混层现象， 或填不够密实，过大的渗流使填土向捧水体流失，都会造成反滤层破坏失效。许多实例证明， 反滤层在整个的防渗体系中是至关重要的一个环节，即使前面的防渗体裂缝或出现渗漏通道，只 要反滤层工作正常，捧水降压渗漏破坏就不至于扩大。 ( 2 ) 防渗体应该直达基岩底部连续可靠的粘土层。在开挖截水槽时不可因施工困难半途而废， 从而留下隐患。 ( 3 ) 土石坝两岸岸坡不应成台阶状，应该开挖成较平颓的坡度，为减少开挖可以变坡，但是， 在上下两坡度转折处，两坡角之差不应大于1 5 2 0 。，若有平台，则平台处填土高度与平台的两 端的填士高度，高差悬殊沉陷量突变，容易产生裂缝导致渗透破坏。 2 6 3 防渗加固措施 渗透破坏加固方法的原理是在上游不使或少使来水渗入坝体或坝基并使渗水在下游通畅排 出，但不带走坝体或坝基上的土粒和不改变坝体或坝基的变形和强度【”删。即上游防渗、下游排 水减压和导渗。 按防渗、排渗、滤土排水的不同防渗排渗加固方法可分为以下几种“1 ： ( 1 ) 防渗加固方法。在上、中游设置切断透水坝基的垂直防渗设施有土质截水槽、混凝土防 渗墙、桩柱式防渗墙、粘土防渗墙、防渗板墙、灌浆帷幕、泥浆槽防渗壤、自凝灰浆防渗墙混凝 土防渗墙和灌浆帷幕的组合等等。其中混凝土防渗墙在土石坝坝基、混凝土闸坝基础、土围堰堰 体与堰基以及病险土石坝的防渗加固方面应用最广。 ( 2 ) 排渗加固方法。防渗加固方法采取后，仍需采用贴坡排水、棱体排水、褥垫排水及其组 合，坝体内竖向排水层和水平排水层、排水沟、减压井、透水盖重等排水设备排除上游渗水，降 低浸润线及下游坝基上的水头。 以上各种措施的适用范围分别为：反滤贴坡排水层适用于均质坝，可防止坝面渗流破坏，不 能降低浸润线，减小其孔隙水压力，既可控制坝体渗流又可控制坝基渗流 倾斜或垂直的内部竖 1 4 向排水层加坝体水平排水层适用于成层性的较高土石坝，降低施工期产生的孔隙水压力：排水沟、 减压井或两者相结合适用于透水坝基表层有一层相对不透水层以及有一定的渗流量的情况，但不 可超过允许水力坡降；反滤透水盖重可用于坝体相对不透水下的坝址下游部位，对坝基起滤土排 水作用。 ( 3 ) 反滤层。反滤层破坏、失效或在必要的地方没有设置反滤层等也是引起土石坝渗流破坏 的常见原因之一【”。刈，比如接触流失、接触冲刷的破坏均可通过增加层间反滤或在必要的地方增 设反滤来加固。反滤层的主要作用是滤土排水和保护土体完整与安全，反滤材料可用砂砾石或士 工织物。适用于细料和粗料之间过渡区以及渗水出水口地点，如下游棱体排水、靠坝体侧面和靠 坝基的底面、上游坡底面、粘土心墙和粗料壳之间等。 值得注意的是，土石坝工程发生病害往往是多种因素共同作用的结果。发生病害后应进行安 全监测首先要注意巡视检查渗流破坏迹象等异常现象，其次用电测或同位素设备探测隐患，以 及使用大坝原型观测设备进行监控。在安全监控的基础上，考虑选用土石坝加固方法。以上所列 士石坝加固方法的分类及其适用范围可供选用时参考。由于土石坝工程情形复杂，材料等具体条 件的多变性，以及土石坝加固方法很多且都有适用范围、局限性和优点，因此，对每一具体工程 病害都应进行仔细分析，从工程病害情况、加固要求( 包括加固后工程病害应达到的各项指标、 加固范围、加固进度等) 、工程费用以及材料、机具来源等方面进行综合考虑，采用一项加固方 法，应克服盲目性。 确定土石坝加固方法时，应根据工程病害的具体情况对几种加固方法进行技术、经济、施工 比较。合理的土石坝加固方法应是技术上可靠，经济上台理又能满足施工要求。通过比较分析， 可采用某一种加固方法，也可采用两种或两种以上的方法组成的综合加固方法。 袭2 - 1各种防渗技术适用范围厦优缺点比较亵 垂直截渗墙技术适用于透水坝基、填筑不良的坝体防渗；对于坝基为上层相对不透水，下层 为强透水的双层地层结构而言，也可采取上游做粘土铺盖与下游排水减压并相结合的措施而不 宣采用劈裂灌浆技术；对于坝基为基岩裂豫发育的地基的处理，可考虑灌浆帷幕进行处理：对填 筑不实、渗透系数偏大、浸润线较高的坝体，可优先考虑劈裂灌浆；对隐患多而分散的坝体，可 考虑充填灌浆加固。表2 - 1 简单列举了近年来发展迅速的垂直防渗技术的适用范围和优缺点供参 考。 确定土石坝加固方法时，应注意节约能源，注意环境保护，避免土石坝加固对地表水和地下 水产生污染，避免振动噪音对周围环境产生不良的影响。 1 6 第三章黄壁庄水库工程概况及土石坝质量问题 3 1 工程概况 黄壁庄水库位于河北省鹿泉市黄壁庄镇附近的滹沱河干流上，是海河流域子牙河水系两大支 流之一滹沱河中下游重要的、控制性的大( i ) 型水利枢纽工程，总库容1 2 1 亿m 3 。水库的任 务是以防洪为主，兼顾城市供水、灌溉、发电和养殖等可获得巨大的经济效益。它与上游2 8 k i n 处的岗南水库联合控制流域面积2 3 4 0 0 k m z 。 水库于1 9 5 8 年修建，1 9 5 9 年拦洪，1 9 6 0 年蓄水，经历了1 9 6 3 年特大洪水后，子1 9 6 5 年进 行扩建，至1 9 鹋年达到现状规模。枢纽建筑物主要由主坝、副坝、重力坝、正常溢洪道、非正 常溢洪道等组成。主坝为水中填土均质坝，坝顶长1 8 4 3 m ，最大坝高3 0 7 m ；副坝亦为水中填土 均质坝( 部分坝体为碾压均质坝) ，坝顶长6 9 0 7 m ，最大坝高1 9 。2 m ，重力坝为常态混凝土坝，内 含输水洞和发电洞，坝项长1 3 6 5 m ，最大埙高2 8 mz 正常溢洪道型式为岸边开敞式实用堰，内含 泄洪底孔两孔，溢洪堰堰顶净宽9 6 m ，分8 孔布置；非常溢洪道型式为胸墙式宽顶堰，堰顶净宽 8 5 8 m ，分1 1 孔布置。 3 1 1 区域地质概况 水库所在区域位于中朝准地台的中间部位，以石家庄山前深断裂为界，西部山区属于山西中 台隆起，东部平原为冀中拗陷。根据大量物探和钻探资料表明，基底起伏较大，基底起伏控制了 第三世纪与第四世纪地层的厚度。其大致轮廓是：滹沱河以南，上京一于底一孔寨一台头村以西， 基底高凸，为山前凸起区，厚度仅几十米，该线以东和滹沱河以北，基底深陷，为石家庄凹陷区， 厚度达数百米。凸起与凹陷之间有断层为界。西部山区出露地层有前寒武系、寒武系和奥陶系， 主要岩石：石灰岩、白云岩、板岩、千枚岩和片麻岩等，平原新第三系仅分布在石家庄凹陷内。 为冲湖积的褐黄色、灰绿色等杂色砾岩、砂岩和泥岩，厚3 0 0 - 4 0 0 m 。 3 1 2 水文地质条件 第四系含水层特征：本区地下水主要赋存于第四系松散岩层孔隙中，在第四系沉积地层按岩 性及沉积年代，同时考虑含水层与隔水层分布状况、水动力条件、水化学特征的垂直变化及开采 利