覆蓋層上面板堆石壩地基防滲墻深度探討

賈學(xué)萍

（嵐皋縣水利局 陜西 嵐皋 725400）

隨著我國(guó)水利水電事業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多的大壩修建在深厚覆蓋層地基上，特別是我國(guó)西南地區(qū)。深厚覆蓋層是指堆積于河谷底，厚度大于30 m的第四紀(jì)松散堆積物，其顆粒組成偏粗大且透水性強(qiáng)，是一種地質(zhì)條件差且復(fù)雜的地基[1]。對(duì)于建于深厚覆蓋層上的大壩，壩基的滲流控制是最關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題，其直接關(guān)系到大壩的穩(wěn)定及效益[2-4]。覆蓋層上面板堆石壩的防滲系統(tǒng)主要有防滲墻、趾板、面板以及防浪墻組成，其中防滲墻是覆蓋層地基的主要防滲措施[5]。由于覆蓋層過(guò)于深厚，地基中越來(lái)越多采用懸掛式防滲墻[6]。本文從防滲墻滲流控制效果的角度，分析地基中防滲墻的合理深度。

1 工程概況

某面板堆石壩最大壩高111 m，壩頂寬10 m，長(zhǎng)348.20 m，包含三臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)容量240MW。壩地處高山峽谷地區(qū)，河谷呈“V”型，山勢(shì)陡峻。河床覆蓋層厚度44 m～50 m。覆蓋層從底部到頂部主要可以劃分為以下幾部分：表部水庫(kù)淤積層厚約2 m～4 m；上部含碎石塊石砂卵礫石層厚6 m～20 m；中部砂卵礫石層厚12 m～15 m，是河床覆蓋層的主體層；底部含塊碎石的砂卵礫石層厚5 m～10 m。覆蓋層地基中采用一道厚1 m的防滲墻進(jìn)行防滲。

2 滲流場(chǎng)有限元模型

2.1 有限元模型

滲流計(jì)算模型考慮基巖、兩岸山巖以及壩體和防滲墻，同時(shí)對(duì)覆蓋層進(jìn)行分層，以體現(xiàn)覆蓋層的一般性。對(duì)模型進(jìn)行正常蓄水位條件下的穩(wěn)態(tài)滲流計(jì)算。河床覆蓋層總共取50m（由上到下三層分別取為20 m、15 m、15 m），使用八節(jié)點(diǎn)六面體等參單元對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，共剖分單元總數(shù)67185，節(jié)點(diǎn)總數(shù)73184，網(wǎng)格剖分圖如圖1所示。模型壩基底面、上下游側(cè)面及左右岸側(cè)面按不透水邊界考慮。

圖1 計(jì)算模型

2.2 計(jì)算參數(shù)和方案

根據(jù)工程實(shí)際的試驗(yàn)結(jié)果以及類(lèi)比其它工程資料，滲流穩(wěn)定計(jì)算模型各分區(qū)材料滲透系數(shù)取值見(jiàn)表1。為全面從滲流控制效果的角度探討防滲墻的合理貫入深度。各覆蓋層取三組不同滲透系數(shù)，其中一、二組各層滲透系數(shù)分別取為：第一組5.5×10-4m/s、5.0×10-4m/s、4.6×10-4m/s，第二組6.0×10-4m/s、5.5×10-4m/s、5.0×10-4m/s，第三組覆蓋層取相同的值且為較小值，取為5.0×10-6m/s，分別計(jì)算三組系數(shù)下防滲墻深度從0 m增加到50m各種工況下的各水力要素。

3 結(jié)果分析

圖2為覆蓋層取第一組滲透系數(shù)時(shí)，無(wú)防滲墻及防滲墻深為50m時(shí)，模型X=260 m剖面處的水頭等值線。圖3為通過(guò)壩基的滲流量大壩特征部位水力坡降與防滲墻深度之間的關(guān)系曲線。圖中第一組系數(shù)、第二組系數(shù)、第三組系數(shù)分別指覆蓋層取對(duì)應(yīng)的三組不同的滲透系數(shù)。

由圖2可以看出，由于防滲墻的相對(duì)不透水性，防滲墻附近水頭差最大，水頭等值線最密，離開(kāi)防滲墻后水頭等值線逐漸變疏。防滲墻消殺水頭作用明顯，當(dāng)防滲墻截?cái)喔采w層到達(dá)基巖時(shí)，總水頭基本被防滲墻消殺。同時(shí)，防滲墻越深水頭等值線越向防滲墻靠攏，底端水頭線越密集，因此防滲墻底部覆蓋層水力坡降將會(huì)較大，此部位容易發(fā)生滲透破壞，特別是采用懸掛式防滲墻時(shí)，由于此部位具有一定的殘?jiān)?，允許滲透坡降較小，安全儲(chǔ)備較低，應(yīng)特別注意對(duì)其進(jìn)行防護(hù)。由圖還可以看出采用防滲墻后，壩體浸潤(rùn)線明顯降低，說(shuō)明防滲墻對(duì)降低壩體浸潤(rùn)線有一定作用，有利壩坡穩(wěn)定。其它兩組覆蓋層滲透系數(shù)下，上述計(jì)算結(jié)果均得到相同規(guī)律。

由圖3可以看出，防滲墻未達(dá)相對(duì)不透水層之前，通過(guò)壩基的滲流量隨防滲墻深度的增加而相應(yīng)的減少，但減少幅度有限。覆蓋層滲透系數(shù)較大時(shí)，防滲墻平均每增加5 m，滲流量減少0.225m3/s左右，而當(dāng)防滲墻達(dá)到相對(duì)不透水層后滲流量驟減為0.00408m3/s左右，相對(duì)無(wú)防滲墻減少量達(dá)99.81%。對(duì)比一、二組不同覆蓋層滲透系數(shù)的結(jié)果可知，覆蓋層滲透系數(shù)越大效果越明顯。第三組系數(shù)的壩基滲流量計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)無(wú)防滲墻時(shí)，壩基滲流量只有0.0406m3/s，總體已經(jīng)相對(duì)較小。這說(shuō)明當(dāng)覆蓋層滲透系數(shù)相對(duì)較?。╧<1×10-5m/s）時(shí)，覆蓋層不再是大壩滲流的控制因素。分析表明，當(dāng)覆蓋層的滲透系數(shù)較大時(shí)，防滲墻完全截?cái)喔采w層能夠取得較好的控制滲流量的效果，而只要還有覆蓋層未被截?cái)啵瑝位鶎⑦€會(huì)有較大的滲流量。因此，實(shí)際工程中，當(dāng)覆蓋層滲透系數(shù)相對(duì)較大且對(duì)水量損失有較高要求時(shí)，不宜采用懸掛式垂直防滲措施。

表1 滲透穩(wěn)定計(jì)算各區(qū)材料滲透系數(shù)

圖2 X=260m橫剖面水頭等值線圖（單位：%）

圖3 大壩滲流量和特征部位水力坡降與防滲墻深度關(guān)系曲線

由圖3（b）可知，防滲墻底端的最大水力坡降呈現(xiàn)隨防滲墻深度先減少后增加的規(guī)律。當(dāng)防滲墻深為35 m時(shí)坡降達(dá)最小值，此時(shí)防滲墻深度與覆蓋層厚度之比為0.7。產(chǎn)生上述規(guī)律的原因可能是防滲墻較淺時(shí)，覆蓋層滲流量減少，因此覆蓋層中流速也會(huì)相應(yīng)減少，隨著防滲墻的加深，滲流量減少的同時(shí)，覆蓋層總的滲流斷面也在減少，因此當(dāng)防滲墻到達(dá)某一深度時(shí)，覆蓋層中的滲流速度不降反而有可能會(huì)增加。由前述分析可知，只要防滲墻未截?cái)喔采w層，其控制滲流量及下游坡腳最大水力坡降的效果均不明顯。采用懸掛式防滲墻進(jìn)行滲流控制時(shí)，考慮到實(shí)際工程中防滲墻底端有一部分殘?jiān)瑢?duì)于覆蓋層內(nèi)的細(xì)顆粒穩(wěn)定不利，不利于防滲墻的運(yùn)行穩(wěn)定，因此防滲墻的滲流控制效果方面，可以從防滲墻底部滲透穩(wěn)定的角度來(lái)確定最優(yōu)的防滲墻深度。可以得出，采用懸掛式防滲墻進(jìn)行滲流控制時(shí)，防滲墻并不是越深越好，其深度取其與覆蓋層厚度之比為0.7左右時(shí)較為合理。由圖還可看出，防滲墻內(nèi)的最大平均水力坡降均也隨防滲墻深度的增加而增大，當(dāng)防滲墻到達(dá)相對(duì)不透水層時(shí)，防滲墻所承受的最大水力坡降達(dá)90%。因此，嚴(yán)格地把握防滲墻的設(shè)計(jì)、施工程序和質(zhì)量對(duì)于整體的防滲也是非常重要的。

4 結(jié)論

本文從滲流控制的角度探討防滲墻的合理深度，采用有限元法進(jìn)行三維滲流分析，對(duì)比分析水頭等值線、滲流量以及水力坡降等要素，綜合分析結(jié)果認(rèn)為，當(dāng)覆蓋層地基滲透系數(shù)較大時(shí)，防滲墻截?cái)喔采w層能取得較好的防滲效果，若覆蓋層無(wú)法被截?cái)喽捎脩覓焓椒罎B墻時(shí)，其存在一個(gè)最優(yōu)深度，從防滲墻滲流控制效果的角度分析，防滲墻貫入深度與覆蓋層厚度之比為0.7左右時(shí)較為合理。

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