質(zhì)量缺陷對(duì)懸掛式防滲墻滲流影響的數(shù)值分析

劉　娜，何文安

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院； 2.吉林省電力勘察設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)春 130012)

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質(zhì)量缺陷對(duì)懸掛式防滲墻滲流影響的數(shù)值分析

劉娜1，何文安2

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院； 2.吉林省電力勘察設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)春 130012)

摘要：結(jié)合工程實(shí)例應(yīng)用有限元方法分析了懸掛式防滲墻質(zhì)量缺陷對(duì)土石壩滲流控制效果的影響。結(jié)果表明: 懸掛式防滲墻能起到延長(zhǎng)滲透路徑，改變滲流形態(tài)的效果。懸掛式防滲墻若出現(xiàn)缺陷，則對(duì)壩體滲流形態(tài)有較大影響。

關(guān)鍵詞：防滲墻；滲流；質(zhì)量缺陷

1研究背景

隨著我國(guó)水利水電事業(yè)的不斷深入發(fā)展，土石壩以其安全性、經(jīng)濟(jì)性及適用性好的優(yōu)點(diǎn)，在近幾年得到了廣泛應(yīng)用，其設(shè)計(jì)和施工技術(shù)已日趨成熟，但隨著壩的高度不斷增加以及壩基復(fù)雜性的增加，帶來(lái)了一系列的技術(shù)問(wèn)題，眾多大壩均修建在復(fù)雜壩基之上。對(duì)于一些覆蓋層深厚的壩基，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，難以將混凝土防滲墻深入到基巖，因此形成了懸掛式防滲墻，覆蓋層不能被完全封閉。此時(shí)壩基滲漏及地基的滲透穩(wěn)定是地基存在的主要問(wèn)題。然而由于施工質(zhì)量問(wèn)題，防滲墻往往存在較多質(zhì)量缺陷，主要有：墻體深度達(dá)不到設(shè)計(jì)深度、局部不均勻、墻體不連續(xù)、構(gòu)成墻體的水泥土達(dá)不到一定的抗?jié)B性能，為工程的投入使用埋下了很多隱患?；诖?，本文結(jié)合某實(shí)際工程利用數(shù)值方法，分析了懸掛式防滲墻質(zhì)量缺陷對(duì)壩基滲流控制效果的影響。

2計(jì)算模型和參數(shù)

2.1工程概況

該土石壩壩頂高程為1 530.50 m，最大壩高56.50 m，壩頂寬10.00 m，迎水面邊坡1︰2.5，背水面邊坡1︰1.75。壩基防滲采用懸掛式，防滲墻型式防滲墻底高程為1 430.00 m，防滲墻最大深度70.0 m，防滲墻厚0.8 m。壩體防滲采用斜墻型式，最大擋水水頭約54.0 m。壩基覆蓋層最大厚度約為75 m和67 m，自下至上由老至新分為3層：第①層為漂(塊)卵(碎)礫石層(fglQ3)，第②層為含泥漂(塊)卵(碎)砂礫石層(alQ41)，第③層為漂(塊)卵礫石(alQ42)。河床覆蓋層局部具架空現(xiàn)象，滲透系數(shù)K=2.0×10-2cm/s～2.0×10-1cm/s，具強(qiáng)透水性，且抗?jié)B透破壞能力低，需解決好基礎(chǔ)滲透問(wèn)題。河床底部及兩岸堰肩巖體淺表層屬微—弱透水巖體，地基抗變形能力和承載力可基本滿足工程要求。

2.2計(jì)算模型

在計(jì)算中，采用笛卡兒直角坐標(biāo)系。以垂直于壩軸線的1 477.0 m高程水平線為x坐標(biāo)軸，以過(guò)防滲墻的中垂線為y軸。計(jì)算區(qū)域的選擇：壩體寬246 m，壩高53.5 m；從壩背水面坡腳向下游延伸100 m，從壩底向地下延伸100 m。迎水面水位取為設(shè)計(jì)水位高程1 528.2 m。 計(jì)算模型的邊界條件如下：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，上游庫(kù)水位以下地表邊界及上游壩面按己知水頭邊界考慮。

2.3計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模型共涉及到10種材料，他們分別為：塊石護(hù)坡、礫石土防滲料、反濾層、石渣、戧堤、混凝土防滲墻、漂(卵)礫石、含泥漂(塊)卵(碎)砂礫石層、漂(塊)卵(碎)礫石土、基底巖體材料，對(duì)該模型進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，整個(gè)模型共劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)為19 623個(gè)，單元數(shù)為19 051個(gè)。參數(shù)取自工程實(shí)際。

2.4計(jì)算工況

為了研究墻體深度達(dá)不到設(shè)計(jì)深度對(duì)滲流場(chǎng)的影響，本文主要以大壩水頭分布、大壩和壩基的滲流量、特征部位的水力坡降、背水面壩坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為控制條件，擬定了以下工況：根據(jù)工程實(shí)際情況，分別計(jì)算了防滲墻深度為50 m、55 m、60 m、65 m、70 m時(shí)大壩的滲流結(jié)果。

3計(jì)算結(jié)果分析

3.1大壩水頭分布分析

從圖1和圖2可看出隨著防滲墻深度的增加，壩體內(nèi)浸潤(rùn)線的位置逐漸下降；等水頭線以防滲墻垂直下方為中心向一起聚攏；除防滲墻垂直下方的流線向一起收攏外，流線的總體變化趨勢(shì)不大。說(shuō)明懸掛式防滲墻在貫入度較小的時(shí)候投資效果較好。隨著貫入度的增加，對(duì)于提高上游臨界水頭的貢獻(xiàn)并非按比例增加。所以當(dāng)因防滲墻的施工質(zhì)量而導(dǎo)致防滲墻深度有小部分的降低時(shí)，從整個(gè)堰體的水頭分布來(lái)看，影響不是很大。

圖1　防滲墻深度為50 m時(shí)的水頭分布

圖2　防滲墻深度為70 m時(shí)的水頭分布

3.2壩體和壩基滲流量分析

從圖3可以看出隨著防滲墻深度的增加，堰體和堰基的深流量都在減小，說(shuō)明懸掛式防滲墻隨著深度的增加對(duì)于滲流的控制作用也在增強(qiáng)。如果在施工中出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，就可能引起在圍堰施工期內(nèi)滲水過(guò)多，而給施工帶來(lái)很大的麻煩。

3.3特征部位的水力坡降分析

從圖4和圖5可以看出：隨著防滲墻深度的增加，圍堰下游出溢處的水力坡降值不斷降低，且水力坡降值均小于1.0，說(shuō)明了防滲墻深度的變化對(duì)降低圍堰下游出溢處水力坡降有明顯作用，也就是說(shuō)對(duì)減小下游坡腳處水力破壞有明顯的作用，如果由于防滲墻的施工質(zhì)量問(wèn)題而造成防滲墻深度減小，有可能引起水力破壞，所以一定要確保防滲墻的施工質(zhì)量，以保證工程的合理性。

3.4背水面壩坡的穩(wěn)定性分析

由圖6可見(jiàn)，隨著防滲墻深度的增加，其背水面壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸增加。防滲墻為50 m時(shí)，坡后穩(wěn)定安全系數(shù)為1.177，當(dāng)增加到70 m時(shí)，安全系數(shù)增加到1.256。如果防滲墻施工質(zhì)量難以保證，使得防滲墻的深度降低，就有可能引起下游壩坡發(fā)生滑坡。

圖3　滲流量隨防滲墻深度變化圖

圖4　防滲墻深度為50 m時(shí)的滲流出口處水力坡降分布圖

圖5　防滲墻深度為70 m時(shí)的滲流出口處水力坡降分布圖

圖6　壩坡穩(wěn)定系數(shù)隨防滲墻深度變化圖

4結(jié)語(yǔ)

懸掛式防滲墻并不像封閉式防滲墻那樣可以達(dá)到截滲的目的，因此，施工單位往往會(huì)認(rèn)為懸掛式防滲墻深度可以隨便減小，或者由于施工質(zhì)量的問(wèn)題不能保證防滲墻的深度，以為這些情況不影響大壩的安全性，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)隨著防滲墻深度的增加，壩體和壩基的滲流量都會(huì)減小，同時(shí)水力坡降也會(huì)有明顯的降低，下游壩坡的穩(wěn)定安全系數(shù)也會(huì)增加。所以在工程上并不能隨意改變懸掛式防滲墻的深度。

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The Numerical Analysis on the Influence to Seepage from Suspended Diaphragm Wall by Quality Defects

LIU Na, etc.

(ChangchunInstituteofTechnology,Changchun130012,China)

Abstract：Based on FEM and construction cases, this paper analyzes the effect of earth-rock dam seepage control from suspended diaphragm wall by quality defects. The result shows that the seepage path can be lengthened and seepage configuration can be changed by the suspended diaphragm wall. If the suspended diaphragm wall with quality defects have big impact on the seepage configuration of the dam.

Key words：diaphragm wall; seepage; quality defects

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-8984(2016)01-0068-03

中圖分類號(hào)：TV543.82

作者簡(jiǎn)介：劉娜(1982-)，女(漢)，內(nèi)蒙古，講師，工學(xué)碩士

基金項(xiàng)目：長(zhǎng)春工程學(xué)院青年基金(320150005)

收稿日期：2015-07-15

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2016.01.016

主要研究巖土工程。