坝基稳定性研究论文

浅谈土石坝防渗变形的处理措施论文

土石坝在我国水利工程施工中由来已久，它的主要材料是由本地的土料、石材以及土石混合材料构成，经过有序的碾压、回填等方式筑成的挡水大坝。由于使用的材料不同，土石坝可以分为以下几种：石坝、土坝以及土石混合材料铸成的混合型大坝。随着我国经济的发展，水利工程的发展也有了较大的进步，由于受到各方面环境条件的限制，在一些情况下，因为土石坝的渗漏问题，如果不及时处理，有可能会对人们生命财产安全造成严重危害，所以，必须采取有力措施，防止土石坝渗漏。

1土石坝渗透变形的含义及危害

土石坝由于长期在水中受到浸泡和冲刷，周围土体在渗透作用下发生浮动变形，当土体的质量小于浮容重时，土石坝的土石就会逐渐被带走，从而使土石坝发生变形。刚开始的大坝渗透能力不会造成土石流失，但是，如果不及时治理，日积月累，成年累月的冲刷，就会发生较大的土石坝滑坡或重大事故。

要根据土石坝出现渗透变形各个部分的实际情况进行分析，如果大坝下游坝坡的边缘，发生的危害就大，如果在大坝的坝基里面发生涵洞，就会出现建筑物下陷，有时候还会出现塌陷等严重后果。

2土石坝渗透变形的成因

土石坝渗透变形有以下几种形式：泥土受到冲刷后发生流失、管涌以及接触性流土。因为泥土的颗粒的大小不同以及渗透程度的不同使土石坝发生渗流变形，主要是因为：(1)坝基的不透水层没有和土石坝下面的截水槽相连，对于不稳定的地基没有很好的.处理，都会使坝基出现渗流，如果任其发展，就会使坝基变形或出现空洞甚至溃坝。(2)因为选用的土石材料在力学方面没有认真思考，在建成土石坝工程时进行储存水源时，对浸润线的设置不合理，以至于土石坝的渗漏流出的水流从下游的坝坡斜面流出，使下游坝坡极不稳定。(3)在进行输出水的涵洞和施行工程施工中，使用的浆液不均匀、混凝土比例配合没有按照一定的标准，周围的黏土夯实不严密，有时候在回填时不结实，也会使土石坝出现涵洞，从而引起渗透变形发生。(4)土石坝渗流的出现一般在大坝的坝心墙和斜面墙等处非常容易出现裂缝或者发生管涌，以至于引发坝体渗漏变形，破坏非常严重的有可能会出现坝体坍塌或者崩坝。(5)对水文地质条件和工程及其基础防渗处理不重视，误以为土石坝不需要高标准的基础，造成基础漏水，导致土石坝变形。

3土石坝渗透变形的形式

我国的许多地区，特别是南方，使土石坝渗漏并发生变形的原因主要有机械作用及化学作用，由于土石的这些作用，使坝体的某些部分发生破坏。依据土石坝的土质的不同以及涂料的质量的差别、防止渗漏和排除渗流的方法不同、水流的基本条件的不同，土石坝渗流存在以下四种情况：

流土

由于土石坝渗流时泥土颗粒因为渗流逐渐加大，出现被带走，并且坝体表层出现隆起或者冲出现象，这种渗流经常在土粒粗细比较均匀的黏性土壤和黏性不大的土体中出现。因渗流而发生土体断裂、凸起和掉落。

管涌

管涌经常出现在土石坝下方的地基和下游坝坡表层出现渗流的流出的地方。非黏性土壤的微小土粒在泥土小石块的渗透影响下，持续的从孔洞中被冲出，当土壤中的微小颗粒到了某一速度时，泥土颗粒就被冲刷走，如果时间过长，坝体中的土壤颗粒被冲走的越来越多，空洞就会越来越大，这样，土石坝的内部结构就会发生很大的改变，土石坝由于渗透发生变形。

接触流土

由于土石坝在相互相邻的土层中的接触面，会发生渗透系数较小的土层向较大的土层渗入，这种接触性流动的土壤，对土石坝危害极大。

接触冲刷

接触冲刷对土石坝的损坏程度，直接影响着土石坝经久耐用的年限。在坝体渗流经过地基相接触的地方，以及和建筑物等接触系数有很大差别的土层相接触的时候，小的土石颗粒就会被冲刷流走。

土石坝渗透变形的形式在接触冲刷中会较为单纯，在一些特殊情况下，有可能出现两种或两种以上的情况，依据各不相同的渗透坡降情况、位置的差别、该地方的土料状况等进行具体情况进行具体分析，进而制定出有效的保护措施。

4治理土石坝防渗变形的措施

水平防渗

水平防渗的方法非常简便易行，一般采取人力把黏土进行填埋或者使用自然的黏土进行填筑，这种方法非常简便，也能够因地制宜，花费时间短，施工作业面很大、造价低廉，不需要任何的设备和器材。但是在施工过程中要认真依照设计图纸和有关要求，使土石坝的稳定性得到有效的控制，但如果渗透量加大，在土石坝基部有可能还会出现坡降现象。因此，必须通过防渗的方式实施水平盖铺，与下游的减小压力，增加排水量的工程实施有机地联系在一起。

垂直防渗

在坝基透水层较薄并且隔水层厚度不大的前提下，应该使用垂直防渗的方法，并用封闭式防渗帷幕进行施工，从而使所有由于渗透变形的情况得到了彻底治理，这样从根本上解决了土石坝的坝体和坝基的渗漏。通常用的防渗方法有以下三个方面：

高压喷射灌浆防渗。依据施工设计要求，在受到破坏的坝体周围用钻机实施钻孔，然后把高压喷射管放入钻孔中，对钻孔内的土体使用高压水流冲刷，破坏里面的土体结构，然后冲入水泥浆液，并且和周围土体充分混合、渗透、搅拌，然后逐渐提起喷嘴，待浆液凝固后，根据设计要求，确定好喷浆后的混凝土深度和厚度，从而与坝基紧密凝结在一起，很好地发挥防渗变形的优势。

建造混凝土防渗墙。为了使土石坝更加坚固，增强它的抗冲刷能力，可在土石坝坝体或土体的透水层和覆盖层中建立槽型孔，同时使用高压水泵把水泥浆液压入槽型孔内部，使孔内的残渣等物质被冲出孔外，接着再用直升套管向槽孔内部压入混凝土，连续不断的混凝土墙就这样形成了，充分发挥阻止防渗变形的作用。

土工膜防渗。使用土工膜防渗，能够使渗透半径加大，坡降变小、渗漏量变低，但是不能使渗流全部阻断，并且此种防渗方法对坝体渗漏有一定作用，对多种渗漏的防治效果不大。

通过一系列防渗措施的实施，必须根据实际情况认真分析，防渗施工技术的提高是进一步加强土石坝稳定性的关键因素。因此，只有建立一支专业化、能力强、技术过硬、有丰富经验的施工技术队伍，才能保证工程质量。同时，还必须有足够的土石坝防渗施工基金作保障，并能及时修缮、维护，一旦发现问题迅速处理，使管理和综合利用有机结合起来，并且要积极学习一些国外防渗补漏的先进技术和经验，使土石坝防渗变形工程有新的突破。

1概述坝基岩体内部存在各种型式的软弱结构面,当这些结构面的产状有利于其上的建筑物滑动时,往往成为安全的控制因素。我国已建的葛洲坝、安康、大化、三峡、万家寨、百色、沙坡头以及在建的向家坝、金安桥、武都等大中型水利工程,都存在坝基深层抗滑稳定问题,国外所发生的重力坝沿坝基软弱结构面破坏的例子也不少见。因此,重力坝深层抗滑稳定分析是重力坝设计中较为重要的内容。近代坝工技术发展至今,国内外许多学者与工程技术人员在坝基深层抗滑稳定计算方法、安全系数取值、软弱结构面物理力学指标取值等领域开展了大量的试验与理论研究,取得了较为丰硕的成果。但因坝基深层抗滑稳定是一个系统而复杂的问题,目前还没有统一规范的解决办法,业内的观点也不太统一,如长江三峡工程左岸厂房1～5号坝段深层抗滑稳定分析研究过程中,集中了国内各著名的科研机构和高等院校历经数年,并聘请著名专家进行咨询,但研究结果和意见仍不十分一致。本文就实际运用中争议较大的稳定分析方法、抗剪公式的适用性、数值计算分析方法及其安全控制标准等方面进行简要的讨论,供设计者参考。2分析方法早期坝基深层抗滑稳定分析主要采用刚体极限平衡法及物理模型法,形成了一套较为成熟的理论及安全判断标准,并沿用至今。随着微型计算机软、硬件技术的发展,数值分析方法也得到了很大发展,针对不同的工程特点开发出了很多计算软件,为分析深层抗滑中软弱面的应力和变形创造了条件。20世纪末期,可靠度分析方法逐渐被引进到水利电力行业中。目前有关各种方法的理论文献较多,本文主要对各种方法的特点及适用性进行分析。当坝基岩体内存在软弱面时,应主要采用传统的刚体极限平衡法核算坝基的深层抗滑稳定性。刚体极限平衡法是将滑移的各块岩体视为刚体,考虑滑移体上力的平衡,根据滑移面上的静力平衡条件对滑动块体的安全度作笼统的整体分析。刚体极限平衡法应用非常广泛,具有很多优点:概念清楚、计算简便、工作量小、易于掌握、可用于任何规模的工程、工程应用实例多,而且有比较成熟的与之配套的设计准则。当坝基岩体内存在软弱面时,对特别重要且地质条件复杂的坝基应辅以数值分析方法分析坝基的深层抗滑稳定性,进行综合评定,其成果可作为坝基处理方案选择的依据。数值分析方法可以考虑材料的各种性质,能较精确地计算出坝体和坝基内各点的应力和变形,可模拟复杂的地质构造,探求坝体和坝基的破坏机理;还可以了解破坏区的分布、范围,找出最危险的部位,分析其严重程度及各种加固措施的作用。当重力坝坝基中对深层抗滑稳定起控制性作用的结构面、岩层层面等与大坝轴线的交角较大时,坝基滑移模式将具有明显的三维效应,此时为合理确定坝基抗滑稳定安全系数,应采用三维刚体极限平衡法进行坝基的抗滑稳定分析。3抗剪公式的适用性及安全控制标准3. 1适用性常用的抗滑稳定安全系数计算公式有两种:抗剪断强度公式和抗剪强度公式。早期重力坝3. 0的允许安全系数是建立在节理岩体的“抗剪断”强度指标基础上的。这一指标中包含了极大的凝聚力,滑面一定不是由100%连通的结构面构成的。如果将“抗剪断”(剪摩)公式应用到层面、软弱夹层、断层这一类连通率为100%的结构面上,对这些凝聚力较低的结构面,仍然按3. 0的允许安全系数要求,就可能导致在复核深层抗滑稳定时遇到困难。为了验算抗剪断公式和抗剪公式的适用性及相应安全系数标准,利用三峡、武都、银盘、亭子口、万家寨等工程的地质参数,根据坝基软弱结构面的滑移模式,在相同荷载及滑移模式下分别采用抗剪断公式和抗剪公式进行对比分析,结果如表1所示。表1已建工程坝基软弱结构面抗滑稳定安全系数从表1中可以看出:当滑动面的凝聚力c′值较低时,两种公式计算得到的安全系数k′和k相差不大,如葛洲坝、高坝洲、武都, k大于1. 0,而k′远小于3. 0。随着滑动面的凝聚力c′值的增加,安全系数k′和k差别逐步加大,如三峡、亭子口、向家坝等工程,抗剪断安全系数k′为3. 0左右时,抗剪安全系数只有1. 0左右,三峡还小于1. 0。因此,在分析重力坝深层抗滑稳定时,对于不同的地质条件,应采用不同的计算公式。坝基潜在滑移面由硬性结构面和岩桥组成时,按抗剪断公式进行抗滑稳定计算较合适;当坝基中存在着连续分布的软弱结构面(单滑面或双滑面均为软弱结构面) ,且结构面强度参数较低,可采用抗剪公式计算。3. 2安全控制标准目前水利行业《混凝土重力坝设计规范》( SL319 - 2005)条文说明中对按抗剪公式计算的安全系数选取进行了特别说明。对坝基岩体内存在软弱结构面、缓倾角裂隙时,应首先按抗剪断强度公式进行坝基深层抗滑稳定分析,如采取工程措施后仍不能满足规范要求时,可按抗剪强度公式,计算坝基深层抗滑稳定安全系数,其指标应经论证后确定,论证时可参考表2所示的安全系数。表2坝基深层抗滑稳定安全系数(按抗剪强度)对于双滑面、多滑面等情况,由于垂直分裂面是假定的, φ值通常取为0,用等K法计算,应有一定安全裕度。但对于单滑面,没有上述安全裕度,其安全系数取值尤须慎重。在已建工程中,坝基存在软弱结构面的情况较为普遍,采用抗剪断公式计算不能满足规范要求而采用抗剪公式计算的实例也较多,因规范未提出确定的安全系数标准,各工程根据自身地质条件及工程重要性提出了各自的安全系数要求,见表3。表3国内若干已建工程坝基软弱结构面抗滑稳定设计参数指标在收集的资料中,根据葛洲坝等11个工程自身地质条件及工程重要性提出了相应的安全系数要求,其设计安全系数为1. 1～1. 4,加固后的安全系数在1. 2左右,实践证明上述设计安全系数标准有较大安全储备。因此,在抗剪断公式不能满足要求时,可采用抗剪公式进行计算,安全系数标准可按表4选取。一般情况下取安全系数的上限,如果采用多种加固措施以后仍不能满足上限要求,经过论证后可以取安全系数的下限。表4推荐坝基深层抗滑稳定安全系数(按抗剪强度)4数值计算分析方法及其安全控制标准目前,连续介质数值分析方法在坝基深层抗滑稳定分析中已得到广泛应用。在岩土工程领域, ABAQUS与FLAC数值计算软件应用最为广泛,拥有的本构模型非常丰富,在进行非线性计算时具有较大的优势,在重力坝深层抗滑稳定计算分析中,推荐采用这两种计算软件。数值方法计算的稳定安全系数有多种定义,包括超载系数、强度储备系数、抗滑富裕系数等,通过研究,认为强度储备系数能够反映岩体材料强度的不确定性和可能的弱化效应,能较为客观地揭示坝基的渐进破坏过程与失稳机理。因此,进行数值分析计算时,推荐采用强度储备安全系数作为坝基抗滑稳定安全系数。本文分别采用FLAC3D和ABAQUS软件对葛洲坝二江泄水闸进行了数值模拟,采用不同的极限状态准则求解其强度储备系数。计算结果见表5。表5葛洲坝二江泄水闸安全系数计算结果由表5可知,两种软件的计算结果较为一致,具有一定的可比性。相同计算条件下两计算软件求得的位移与应力结果差别较小,而得到的强度储备系数相近。采用位移突变准则的结果最小,不收敛准则的结果最大,位移突变准则与塑性区贯通准则得到的结果相近。采用塑性区贯通准则得到的安全系数是偏于安全的,采用不收敛准则得到的安全系数为上限值。由此可见,强度储备系数法得到的安全系数依赖于坝基临界失稳状态的判据,而不同地质条件的坝基,其失稳判别标准难以统一规定,建议采用两种或两种以上判据来综合确定坝基抗滑安全系数。5结语(1) 重力坝深层抗滑稳定分析主要有刚体极限平衡法、数值分析法等,各方法都存在各自的优缺点,单靠其中一种方法,难以合理地分析和解决复杂地质条件下坝基深层抗滑稳定安全问题,应采用不同的方法进行分析,相互补充、验证,综合评定坝基的稳定安全。(2) 坝基潜在滑移面由硬性结构面和岩桥组成时,按抗剪断公式进行抗滑稳定计算较合适;当坝基中存在着连续分布的软弱结构面(单滑面或双滑面均为软弱结构面) ,且结构面强度参数较低,采用抗剪断公式难以满足要求时,可采用抗剪公式计算。(3) 采用数值分析方法时,推荐采用强度储备安全系数作为坝基抗滑稳定安全系数,其值依赖于坝基临界失稳状态的判据,建议采用两种或两种以上判据来综合确定坝基抗滑安全系数。