土質心墻壩墊板裂縫滲流及充填保護試驗研究

□田偉□程彥文□張巧利

（1黃河勘測規(guī)劃設計有限公司；2甘肅省水利水電勘測設計研究院；3河南廣播電視大學）

土質心墻壩墊板裂縫滲流及充填保護試驗研究

□田偉1□程彥文2□張巧利3

（1黃河勘測規(guī)劃設計有限公司；2甘肅省水利水電勘測設計研究院；3河南廣播電視大學）

通過進行心墻墊板裂縫滲流及充填保護試驗，分析了在裂縫上游側設粘土保護層的作用效果，比較了不同裂縫開度和圍壓對壩體抗?jié)B性的影響。結果表明這種新型保護措施可以較好地保護心墻粘土不被壩基裂縫中的水流沖刷，并能對裂縫進行部分充填，使遭到破壞的防滲體性能逐漸恢復。試驗的各項結果符合工程實際。

裂縫滲流；接觸沖刷；裂縫充填

1 前言

隨著我國西部大開發(fā)和清潔能源開發(fā)戰(zhàn)略的實施，我國中西部地區(qū)尤其是西南地區(qū)的水利水電開發(fā)的力度加大，正在建設或將建設一批200m，甚至是300m以上的高壩。隨著大批高壩的建設，高壩的安全問題越來越受到眾多專家學者的重視，而且更為突出的是，我國廣泛建設高壩的西南地區(qū)同時又是地震多發(fā)區(qū)。由于地震、地基不均勻沉降以及滲透水流引起的水力劈裂等原因會造成的防滲體或壩基的開裂，這種開裂很常見也很難避免，而且形成的裂縫通常埋藏于地下，初期階段往往不易被人們察覺，一旦發(fā)展至后期則會對大壩的安全產生巨大威脅。文章對心墻墊板裂縫滲流和充填保護的研究，主要是根據實際工程中可能出現(xiàn)的情況設計了多種不同的試驗組合進行對比分析，在裂縫上游設粘土保護層的新型防護情況下全面考慮了心墻墊板裂縫在不同開度和不同圍壓下的壩體抗?jié)B性。

2 試驗模型介紹

試驗使用的儀器由壓力控制系統(tǒng)和模型試驗系統(tǒng)兩部分組成。壓力控制系統(tǒng)是由KS-50B型多功能高壓滲透試驗儀經改造而成，模型試驗設備使用河海大學滲流試驗室自行設計制造的接觸沖刷試驗儀，試樣區(qū)主要有兩部分組成，分別為粘土試樣和心墻基巖(混凝土墊板)試樣。粘土試樣選用了兩種雙江口水電站堆石壩心墻土料：A類(干密度，含水率)；B類(干密度，含水率)。心墻基巖試樣由于巖石材料在實際地層中結構比較復雜，隨機差別大，且制作成試件的形狀難控制，所以在試驗中通常采用混凝土作為相似材料代替，本試驗中混凝土墊板試樣采用澆制并養(yǎng)護28d以上的硅酸鹽水泥混凝土板。本試驗通過設計多種試驗組合模擬了三種不同的裂縫開度和兩種圍壓狀況，分別為1、2、2和0.10、0.20MPa。

3 試驗成果

3.1 試驗數(shù)據分析

首先抽取一組較為典型的試驗數(shù)據，以其中的滲流流量和上下游水頭差繪制出數(shù)據散點圖，見圖1所示。

圖1 典型數(shù)據水頭差△h～滲流量Q數(shù)據散點圖

從圖1中繪出的實測數(shù)據散點的發(fā)展規(guī)律可以較明顯得看出整個試驗的發(fā)展過程。可以發(fā)現(xiàn)，在圖3左側水頭差△h較小的部分，也就是該試件的試驗初期階段，沒有測得數(shù)據點，這是因為粘土的抗?jié)B性能較強，當水頭差較小時水流的滲透力還不足以克服粘土心墻顆粒間的阻力。從圖1中數(shù)據點的發(fā)展規(guī)律還可以看出，當水頭差△h=530cm時流量略有增加，然后在水頭差△h在530～720cm范圍內流量沒有增加，甚至略有減小，說明試件已經進入臨界狀態(tài)，此時的水力坡降為臨界坡降。當試件上下游的水頭差△h繼續(xù)增加至880cm時，滲透水流的流量增長比較平穩(wěn)，而當水頭差△h繼續(xù)增長到900cm時，流量突然較之前增大（如圖中標注的位置），說明此時試件有可能已經發(fā)生破壞，但就此時流量的絕對數(shù)值來看并不是很大，并且將水頭差值繼續(xù)維持在900cm時流量還有隨時間逐漸減小的趨勢，而且在實驗過程中進行仔細觀察儀器內筒出水口水質并沒有發(fā)現(xiàn)有土顆粒被水帶出或者水變渾濁的現(xiàn)象發(fā)生。

通過分析認為，產生這種現(xiàn)象是因為：在本項試驗中，裂縫進口上游側的粘土包裹層相對其后的裂縫來說滲透系數(shù)要小很多，所以上下游的水頭差主要由此處的粘土承受，圖1中顯示出的測點水力坡降是針對整個試件而言的，而粘土包裹層本身較薄(僅3cm厚)，所以此處的水力坡降較其他部位的要大很多。在這種較高的并隨水頭差繼續(xù)增大的水力坡降作用下，該處的粘土可能會逐漸濕化膨脹崩解，部分被滲透水流帶入其后的裂縫中，而進入裂縫中的粘土顆粒由于下游反濾系統(tǒng)的保護作用逐漸停滯下來，并對裂縫進行了填充，使裂縫的滲透系數(shù)逐漸減小，所以才導致了試驗中流量突然增大后又逐漸減小，而且儀器出水中也沒有土顆粒出現(xiàn)或者變渾濁的現(xiàn)象。在試驗結束后，拆開儀器觀察內部試件，觀察結果也印證了上述所作的分析。通過實驗可以看到圓柱形試件上半部分已經出現(xiàn)很明顯的破壞現(xiàn)象，尤其是中間靠近圓心的地方，而這個位置恰恰就是緊挨著裂縫進口的位置。

將本試驗所有試驗結果匯總于下表中，如表1所示。

表1 上游側有粘土保護層的試驗結果匯總表

3.2 參數(shù)概化計算

本模型試驗中試件是由粘土試樣和混凝土墊板試樣兩部分組成，并且在其上游用粘土包裹，由于試件各部分滲透性能差距很大且關系復雜，而試驗測得結果是關于整個試件的，所以無法直接計算出其滲流各項參數(shù)，必須首先對其進行必要的概化。下面簡要介紹兩種概化計算方法。

第一種：首先假定從上游粘土包裹層起粘土試樣和混凝土墊板試樣兩半圓柱體部分各自獨立，互相之間沒有水量交換，且粘土半圓柱體全部透水，參與滲流計算，而混凝土墊板部分僅裂縫處透水，其余部分認定為完全不透水邊界。

計算時，先將試驗初期測得的水頭差△h和滲流量Q代入下式(1)中計算出滲透系數(shù)K。

式中A1、A2分別為粘土區(qū)域半圓形面積和裂縫面積,L1、L2分別為相應兩部分滲徑(A1=13cm、A2=3cm)。

以試驗初期計算所得試件整體滲透系數(shù)K作為粘土半圓柱體部分的滲透系數(shù)并保持不變，然后將總流量Q拆分為粘土半圓部分的流量Q1和Q2裂縫的流量，最后反向計算出各水頭差下裂縫部分的滲透系數(shù)K2和Q2流量，見式(2)。

至此，試件兩部分所需滲流參數(shù)即可全部求出。

第二種：本方法仍然假定試件上游側圓柱形粘土包裹層中陰影部分透水，其他部分完全隔水。不同之處是考慮粘土半圓柱體部分和裂縫部分的水量交換，并假定粘土部分從底部半圓開始任一點的水流方向為沿該點至裂縫1/4圓弧的切線方向。

計算中，裂縫部分的滲徑L2仍然等于粘土保護層的厚度3cm，而粘土部分的滲徑L1為粘土保護層的厚度與1/4球體部分的平均滲徑之和，其中平均滲徑可用積分求出，如式(3)。

所以粘土部分的滲徑為：

然后與方法(1)的步驟相同，用式(1)和式(2)求出各部分所需滲流參數(shù)即可。

再將表1中破壞坡降平均值與裂縫開度的趨勢圖隨著裂縫開度的增大，其相應破壞坡降逐漸減小，符合實際工程規(guī)律。雖然本試驗只進行了1，2和3mm三種裂縫開度，但趨勢圖已較好地反映了這一規(guī)律。

3.3 試驗結果

根據不同圍壓和不同填筑情況下的試驗組合，統(tǒng)計其最終破壞滲壓和圍壓的比值，分析其對裂縫滲流的影響規(guī)律。統(tǒng)計結

果見表2。

表2 破壞滲壓和圍壓比值表

從表2中可以看出，填筑密度為1.60(g/cm3)時的滲壓圍壓比相對1.65(g/cm3)時大了0.10左右，說明填筑密度為1.60(g/cm3)時的粘土試樣抗?jié)B性能更強。圍壓的作用主要體現(xiàn)在當其增大時，直接提高了試件的破壞滲壓，即提高了滲流破壞比降，當圍壓為0.20MPa時的破壞滲壓較0.10MPa時提高較大，平均提高了1倍以上。

4 結論

①通過對試驗數(shù)據分析得出，在上游粘土包裹層和下游反濾層的雙重作用下，實現(xiàn)了其“上堵”、“下排”的功能，很好地保護住心墻粘土不被壩基裂縫中的水流沖刷，并對裂縫進行了部分充填，使遭到破壞的防滲體性能逐漸恢復。②試驗進行中，上游粘土包護層的滲透系數(shù)隨水頭差增大的速率遠大于試件整體滲透系數(shù)的增大速率。③本試驗中隨著裂縫開度的增大，相應的試件破壞坡降逐漸減小，符合實際工程規(guī)律。④試驗中當圍壓增大時，試件的破壞滲壓也增大，即滲流破壞比降增大。兩種圍壓下的試驗中，0.20MPa時的破壞滲壓比0.10MPa時提高了一倍以上。

[1]河海大學滲流實驗室.雙江口水電站高心墻壩心墻接觸面滲透試驗方法研究[R].河海大學水利水電學院,2009.

[2]海大學滲流實驗室.300m土質心墻堆石壩墊板裂縫充填及其保護實驗研究工作大綱[R].河海大學水利水電學院，2009.

（責任編輯：劉青）

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2016-07-15