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首頁 > 水利論文 > > 土石壩抗滲分析與相關技術應用
土石壩抗滲分析與相關技術應用
>2022-12-28 09:00:00



隨著我國經濟水平的高速發展,水利建設工程也取得了很大的發展。迄今為止,我國已經完成修建的各類水庫工程在防洪發電、城市供水灌溉等方面發揮了巨大的經濟效益和社會效益,而這些已建水庫工程當中,有絕大部分水庫工程都是土石壩工程。碾壓式土石壩主要由土、石料等當地材料分層填筑并壓實而成,根據土料在壩身內的配置和防滲體所用材料的種類主要分為均質壩、土質防滲體分區壩、非土質材料防滲體壩三種。這種土石壩在建設過程中,由于早期的建設工程規劃缺乏科學的嚴謹性,在技術上有所局限,因而存在許多病險癥狀。
抗滲技術和深層滑動穩定計算作為土石壩設計過程中最重要的兩個部分,對土石壩的各項性能指標有著很大的影響。本文主要介紹土石壩抗滲分析與相關技術應用,以及在深層滑動破壞計算過程中的一些指標選取計算方法。

1土石壩抗滲分析與技術應用

在碾壓式土石壩中,滲透水對壩體、壩基的滲透破壞比較隱蔽,不容易發現,因而給壩體帶來的危害性很大,如果搶修不及時,會產生嚴重后果。因此,進行土石壩的抗滲分析十分重要,抗滲分析的主要目標是為了確定滲透比降、浸潤線位置以及壩體與壩基的滲流量,從而采取一系列的防滲技術,將滲流量控制到允許的范圍內,提高土石壩的穩固性。滲流分析的方法主要包括水力學方法和流網法,以下簡要分析這兩種方法的滲流計算。

(1)水力學方法。

水力學方法可用來近似確定浸潤線的位置,計算滲流流量、平均流速和比降。水力學方法采用的基本假定是:假設滲流為緩變流動,等勢線和流線均緩慢變化。滲流區可用矩形斷面的滲流場模擬(圖1)。
滲流量q和滲流水深Hx的計算公式為:
式中H1、H2———分別為上、下游水深;
L———滲流區長度;
x———計算點至下游面的距離。

(2)流網法。
流網法是一種圖解法,它的基本特性在于等勢線和流線互相正交;流網各個網格的長寬比保持為常數時,則相鄰等勢線間的水頭差相等,各相鄰流線間通過的滲流量相等;上游水位下的壩坡和庫底以及下游水位下的壩坡和河底均為等勢線,總水頭等于壩上、下游的水位差;壩底下不透水層面為一流線,其水頭等于線上各點的y坐標;在兩種滲透系數不同的土層交界面上,流線間的夾角成如下關系:tanα1/tanα2=k1/k2等等。等勢線和流線互相正交;如圖2為均質壩的流網特性圖。在任何一個平面勢流里,流網具有以下兩個特性:①組成流網的兩組線\\(流線和等勢線〕是互相垂直的;②流網中每一網格的邊長應維持一定的比值,當比值取為1時,網格成正方形。以流網的上述特性作為基礎,可用手繪或試驗的方法繪制流網。

(3)抗滲技術應用

①劈裂灌漿防滲技術:該防滲技術的機理是以劈裂灌漿的方式,讓土石壩的壩體沿著壩軸線的形成漿壩互壓,壩體濕陷固結作用,壩體內部應力調整,最終形成(10~50)cm厚度的連續水泥墻,增加壩體的密實度,從而提高土體的防滲功能。這種技術的優點體現在取材簡單、施工方便、工效高,它在起到防滲作用的同時也能加固土石壩體。近年來,主要推行的劈裂灌漿防滲技術,其施工方案是沿著堤壩軸線布扎,進行壓力灌漿,就能夠很好地實現定向劈裂,并且抗滲性能較高。
②倒掛井防滲墻加固技術:該技術采用的是構建整體混凝土防滲幕墻,在實施過程中,采用單井開挖、主井先挖、副井后挖并且相互搭接的方法,這種方法的土壓力小、土供作用小,并且單井操作工作量小、設備簡單、施工安全性高。但同時存在防滲幕墻施工困難接縫多的問題,現階段采用的倒掛井防滲加固技術,主要采用的是組井卡瓦的方法,可有效減少混凝土接縫的數量,保證施工質量。
現階段我國對于水庫除險加固工作以及土石壩防滲工作積累了豐富的技術經驗,并且隨著水利建設技術的不斷更新,在土石壩防滲技術應用上也推出了比較多的新技術,例如:沖抓套井回填防滲墻技術、振沖加固技術、射水造孔技術、壩基巖溶防滲等技術,這些技術能夠更好地提高土石壩的防滲能力,發揮其防洪與興利的雙重功效,由于篇幅關系,這里就不一一介紹了。

2土石壩深層滑動破壞淺析

深層滑動問題,涉及到土石壩壩基的穩固性能,對土石壩的使用性能以及壩體安全性有著很大的影響作用。土石壩失穩破壞形式包括壩坡坍滑、液化破壞以及塑性流動等等。一般來說,壩基深層滑動破壞受到許多壩基地質因素的影響,如力學分析的方法,巖體抗剪強度指標的選取,下游抗力體和側向切割面的抗滑作用,抗滑安全系數的采用,滑動面上揚壓力的計算等。以下簡要分析力學分析方法、巖體抗剪強度指標的選取以及抗滑安全系數三種因素。

(1)力學分析方法

近年來,對于碾壓式土石壩壩基深層滑動破壞的力學分析方法主要為有限元法和結構地質力學模型法,他們的主要優勢在于在分析過程中,能夠較為全面地掌握壩基所出現的位移狀態,從而了解失穩的形態。但也存在一定的問題:如有限元法受到計算機容量的限制;結構地質力學模型法受到模擬材料性能的正確限制性的局限。實踐證明:傳統的極限平衡法雖然有失嚴謹性,但能夠在實際工程中能取到有效的應用。
壩基深層滑動的產狀和組合一般可歸納為:單斜滑動面傾向下游、單斜滑動面傾向上游、雙斜滑動面等三種,其中對于雙斜面滑動面的穩定有效的計算方法為:先算出不同破裂面組合的抗力體所能產生的最小抗力Q,(這里的最小抗力不是假定的,而是實驗證明的)再把Q作為阻滑力,參加沿主要滑動面滑動的穩定計算,求安全系數值。

(2)巖體抗剪強度指標的選取

巖體抗剪強度的特征性參數包括粘結力和摩擦系數兩個特征參數,但目前對這兩個特征性參數的取值有著不同的取值準則,有的建議直接取用比例極限值\\(直線段終點值\\);有的建議取用相應于建筑物容許最大位移的抗剪強度值;有的建議取極限強度值\\(峰值\\)乘以折減系數等。但實際上,不同類型的巖體,其剪力特性與位移曲線的圖形形狀不同,因而無法用上述方法進行統一的概述。比較有效的選擇方法是極限強度值,取用剪力特性與位移曲線的圖形的峰值,并且乘以折減系數。

(3)抗滑安全系數

壩基深層滑動的安全技術對土石壩的安全性能與經濟性能有著很大的影響,然而目前國內外對于該系數的選擇方法具有很大的差異性,并且沒有與力學分析方法以及抗剪強度指標的取值產生關聯,使得抗滑安全系數取值存在一定的片面性,缺乏嚴謹性。根據對巖體抗剪強度指標選取的關聯性,壩基抗滑穩定計算公式應該選?。?div style="text-align: center">
式中f’,c———巖體的抗剪強度指標取現場試驗的峰值;
K1———根據實際工程地質料件所選取的補償實驗資料f’值變化的安全系數;
K2———根據實際工程地質巖體的裂隙、風化程度不同來取值,是用來補償試驗資料中c值變化的安全系數;
Kc———抗滑安全系數;
A———滑動面面積;
ΣV———鉛垂向力的總和;
ΣH———水平向力的綜合;
U———壓揚力。

3結語

近年來,隨著大壩除險加固力度的加大,伴隨著新技術、新工藝、新材料的不斷涌現,土石壩防滲及土石壩防止壩基深層破壞技術也在不斷地改進,這些技術的發展與應用使得水庫工程能夠更好地發揮其防洪與興利的雙重功效,更好地服務于國民經濟建設。

參考文獻
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