黏土斜心墙在土石坝中的应用

黏土斜心墙在土石坝中的应用

土壤防渗墙水库是20世纪中期以来新兴的土石水库类型。该水库类型也在中国应用。例如，小浪底水库将倾斜土墙和石头水库用作蓄水建筑物。相比传统的心墙、斜墙土石坝,斜心墙土石坝在诸多方面均有一定优越性,如:大量试验研究表明斜心墙受力条件优于心墙,不均匀沉降影响小于斜墙;工程实践表明斜心墙坝下游堆石体体积较大,可提高其坝坡稳定性,而且在整平的坝壳堆石坡面上铺筑反滤层要比在土坡上施工方便。然而斜心墙土石坝尚未得到广泛应用,其原因是:坝体实际应力分布不明,如上游库水压力通过斜心墙传到下游坝基的应力分布情况与斜心墙坡度对整个坝体的水平位移和上游坝壳的稳定影响直到最近几年才通过试验和原型观测逐渐被了解;已建成的工程实例较少,业界对斜心墙坝的优点认识不足,且土石坝相关规范对其设计亦无专门规定,不具备指导性、规范性。针对这一现状,笔者以某具体工程实例为对象,探究黏土斜心墙防渗体在坝体中的位置、上游坡度、渗透系数变化对斜心墙土石坝渗流和坝坡稳定的影响规律,以及黏土斜心墙土石坝的坝高与其安全性的敏感程度。1计算研究方法为探明土质斜心墙在坝体中的位置、上游坡度、渗透系数3个参数变化对土石坝渗流和坝坡稳定的影响,保持坝壳结构尺寸及材料不变。研究工况取库水位稳定在校核洪水位205m,下游水位取88m。计算研究采用GEO-SLOPE工程分析软件。该黏土斜心墙土石坝位于某县城西南10km处C河中游的高山峡谷地区,工程建成后以灌溉发电为主,并兼顾防洪、航运、养鱼及供水等,坝顶无交通要求,不属于地震区。斜心墙土石坝坝壳上游坡比为1∶2.0,下游坡度分4级变坡,从坝顶到坝趾依次为1∶1.65、1∶1.70、1∶1.75、1∶1.80。一级、二级、三级马道高程分别为116.09、146.09、176.09m,马道宽度为4m。坝顶宽为11.24m,坝底宽为483.59m,顶部高程为206.09m,底部高程为81.00m。坝壳材料参数见表1。1.1黏土斜心墙偏心率在坝体及坝坡渗流稳定性分析为了探明斜心墙防渗体在土石坝坝壳内上下游位置变化对坝体渗流及坝坡稳定的影响,设计了3种斜心墙位置,见图1,其中O、O′位置分别为坝顶、斜心墙顶部的中心位置。斜心墙防渗体设计参数见表2,斜心墙在坝壳内不同位置下的分析计算结果见表3,其中,斜心墙位置偏心率为OO′与坝顶宽之比,“+”表示O′点位于O点下游方位。由表3可以得出:黏土斜心墙在坝体内的位置变化时,斜心墙处浸润线逸出点高程基本无明显变化,相对较低的是斜心墙偏心率为-33%时;黏土斜心墙在坝壳内的偏心率为-33%～66%时,下游坝坡的水力比降及浸润线逸出点渗流流速变化不大,而斜心墙偏心率小于-33%时,即斜心墙较靠近上游坝坡时,这2个参数变化较大,对坝坡渗流稳定不利;黏土斜心墙越靠近上游坝坡,上游坝坡的最小安全系数越大,而下游坝坡最小安全系数基本无变化。因此,黏土斜心墙位置靠近上游坝坡时,上游坝坡最小安全系数增大,而下游坝坡安全系数无明显变化,但下游坝壳的渗流稳定性降低。通过综合分析,确定黏土斜心墙偏心率为-33%。1.2斜心墙上游坡度为研究斜心墙防渗体在土石坝坝壳内上游坡度变化对坝体渗流及坝坡稳定的影响规律,拟定斜心墙下游坡比不变为1∶0.2,并通过改变斜心墙底宽来实现斜心墙上游坡度的改变。为利于克服拱效应和改善心墙的受力条件,《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)给出上游坡比为1∶0.5～1∶0.6,本研究取斜心墙上游最大坡比为1∶0.5。计算模型取斜心墙偏心率为0,其余设计参数不变,上游坡度及计算分析结果见表4。由表4可知,斜心墙底宽增大,上游坡度减小,对斜心墙的渗流稳定是有利的,对下游坝坡的稳定基本无影响,但防渗体与上游坝壳距离随之减小以致对上游坝坡的稳定不利。1.3渗透系数对坝体稳定性影响为研究斜心墙防渗体渗透系数变化对坝体渗流及坝坡稳定的影响规律,取斜心墙偏心率为0,上下游坡比分别为1∶0.6和1∶0.2,其余设计参数不变。渗透系数变化情况及计算结果见表5。由表5可知,斜心墙渗透系数增大对坝体上下游坝坡稳定性的影响甚微,而对坝体渗流稳定影响较大。综合考虑斜心墙浸润线逸出点高程、下游坝壳最大水力比降、渗流流速及现场碾压施工,认为渗透系数取5×10-5m/s较优。2坝高对斜心墙结构参数的影响以坝高和斜心墙高为变量对坝体的渗流及稳定性进行研究。计算模型的地形、地质条件同工程实体,坝体及防渗体底部高程分别为81.0、80.2m,顶宽分别为11.24、4.00m,下游水位为88m,斜心墙上下游坡比分别为1∶0.6、1∶0.2,坝体上游坝壳渗透系数为1×10-4cm/s,下游坝壳渗透系数为1×10-2cm/s,黏土斜心墙渗透系数为5×10-5cm/s,斜心墙偏心率为-33%,坝体结构参数及分析计算结果见表6。由表6可知:斜心墙浸润线逸出点高程、下游坝壳最大水力比降和渗流流速总体上随着坝高的增加而增大,但增大幅度不大;随着坝高的增加,上下游坝坡的最小稳定安全系数均有所降低,上游坝坡稳定安全系数的降低幅度更大一些。因此,随着坝高的增加,黏土斜心墙土石坝的渗流安全性与坝坡稳定安全性均略有降低,尤其对上游坝坡的稳定性更为不利。3坝体及坝高变化对坝坡稳定影响的顺序以具体工程实例为对象,研究了黏土斜心墙防渗体在坝体中的位置、上游坡度、渗透系数变化对斜心墙土石坝渗流和坝坡稳定的影响,以及坝高和黏土斜心墙高对坝体渗流及稳定的影响,结果表明:对坝体渗流稳定影响由大到小的顺序为斜心墙渗透系数、坝高、斜心墙上游坡度、斜心墙在坝壳内的位置,其中斜心墙在坝壳内的位置、上游坡度和坝高对坝体渗透稳定的影响甚微,但斜心墙渗透系数对坝体渗透稳定的影响较大,是影响坝体渗透稳定的关键因素;对上游坝坡稳定安全系数影响由大到小的顺序为坝高、斜心墙在坝壳内的位置、斜心墙坡度、斜心墙渗透系数,其中坝高对上游坝坡稳定的影响幅度相对较大,是影响上游坝坡稳