某土石壩懸掛式混凝土防滲墻深度優(yōu)選

段玲玲，鄧華鋒，支永艷，潘 登

（三峽大學三峽庫區(qū)地質(zhì)災害教育部重點實驗室，湖北宜昌443000）

深厚覆蓋層是由洪積、坡積等沖積作用形成的第四紀松散堆積物，厚度數(shù)十米甚至百米以上，具有成因復雜、豎向和橫向的巖土性質(zhì)差別大、結構不連續(xù)等特點，在我國西南地區(qū)河谷中廣泛分布[1]。近年來，在深厚覆蓋層上建壩已經(jīng)相當普遍，就滲流方面而言，深厚覆蓋層結構比較松散，滲透系數(shù)比較大，成為整個大壩工程的主要滲流途徑，若滲流控制不當，可能會影響壩基及壩體的安全[2-3]。常見的防滲處理方案有混凝土防滲墻、帷幕灌漿、高壓旋噴防滲和混凝土沉井防滲等。

較多學者對土石壩覆蓋層的防滲體系進行了模擬分析。在深厚覆蓋層防滲處理中，很多情況下進行偏安全的設計，采用混凝土防滲墻全封閉方案，防滲效果好，滲漏量小，但深厚覆蓋層中采用貫穿覆蓋層的全封閉防滲體系時，墻體深度大，對應的工程量和造價高[4-7]。近年來，部分工程因覆蓋層深度過大而嘗試采用了懸掛式防滲墻的方案，并取得了較好的效果。有的學者對懸掛式混凝土防滲墻的防滲效果進行了探討，江浩源等[8]、徐毅等[9]、蔡元奇等[10]、黃辰杰等[11]對深厚覆蓋層的懸掛防滲墻進行了滲流分析，發(fā)現(xiàn)深懸掛式防滲墻可以達到較好的效果；毛海濤等[12-13]通過無限單元和有限單元結合法來模擬無限深透水地基，可知當懸掛式防滲墻深度達到某一臨界值時，繼續(xù)增加防滲墻深度無實際意義；王曉燕[14]、楊秀竹等[15]、盧亞霞[16]、陳社明等[17]、謝羅峰等[18]、王寶田等[19]、辛欣[20]分別采用有限元法、解析法分析了懸掛式防滲墻深度與滲流量大小的關系，認為當懸掛式防滲墻達到一定深度時，可達到預期的防滲目的。

這些研究為完善深厚覆蓋層的防滲結構設計理論和方法提供了較好的參考，在深厚覆蓋層的防滲體系中，防滲結構深度越大，工程量越大，工程費用也越高，直接影響到防滲效果和工程處理費用，因此防滲結構深度是工程設計中一個非常關鍵的指標，如何確定經(jīng)濟合理的防滲結構深度尤為重要。以往的研究重點關注了懸掛式防滲墻深度對壩址區(qū)滲漏量的影響規(guī)律，對相關多工況下壩體懸掛式混凝土防滲墻的作用效果分析還不夠完善。基于此，筆者結合某工程實際，重點通過不同深度懸掛式混凝土防滲墻方案計算和對比分析，確定經(jīng)濟合理的防滲墻深度，并考慮不同工況對壩體和壩基的滲流特性進行校核分析，確保工程的防滲體系滿足規(guī)范和工程安全的要求。

1 壩基防滲墻深度對比分析

1.1 壩基防滲方案

西藏某碾壓式瀝青混凝土心墻壩壩址區(qū)河谷呈U形縱向谷，山體坡面沖溝不發(fā)育，地形完整性相對較好，河床覆蓋層厚15.5～59.3 m，組成物質(zhì)為粗顆粒的砂礫石或漂石。壩體采用瀝青混凝土心墻防滲，深厚覆蓋層采用懸掛式混凝土防滲墻方案，防滲墻深度的合理確定是工程設計的重要內(nèi)容。

該瀝青混凝土心墻壩的壩頂高程4 250.00 m，防浪墻頂高程4 251.20 m，壩頂寬8.00 m，最大壩高59.02 m，壩頂長317.26 m。大壩上游立視圖如圖1所示，壩體最大剖面（K0+150斷面）如圖2所示。根據(jù)“不發(fā)生滲透破壞和滿足水庫興利調(diào)節(jié)作用的發(fā)揮”原則，選擇懸掛式混凝土防滲墻方案。結合壩址區(qū)覆蓋層的分布情況，混凝土防滲墻深度考慮62、52、42、32、22、20 m等6種情況。計算分析中，對于覆蓋層較淺處，防滲墻深度穿透覆蓋層為止。

圖1 大壩上游立視圖（單位：m）

圖2 大壩最大剖面K0+150（高程單位：m；尺寸單位：mm）

1.2 計算模型和計算參數(shù)

在防滲墻不同深度的對比分析中，為了獲取比較準確的計算結果，選取了 K0+50、K0+100、K0+150（最大剖面）、K0+200、K0+250共5個斷面，考慮正常蓄水工況，采用二維模型進行滲流計算分析。典型剖面K0+150計算模型如圖3所示，模型上下游方向長度為610 m，底部延伸至高程4 215 m。采用GeoStudio軟件的SEEP/W模塊進行計算。

圖3 K0+150斷面計算模型

壩體、壩基和防滲墻的滲透系數(shù)取值見表1。

表1 壩體及壩基和防滲結構滲透系數(shù)

1.3 計算結果

不同深度防滲墻方案下，典型斷面的滲流量和滲透比降計算結果見表2。各斷面的單寬滲流量如圖4所示，不同深度防滲墻情況下單寬滲流量和壩體壩基的年滲流量變化曲線見圖5、圖6。

表2 不同深度防滲墻滲流量統(tǒng)計

圖4 不同斷面的單寬滲流量

圖5 不同防滲墻深度的斷面單寬滲流量

綜合表2、圖4～圖6可以看出：

（1）防滲墻深度從20 m增加至62 m時，各斷面計算的單寬滲流量逐漸減小，其中，K0+50、K0+100、K0+150、K0+200斷面的單寬滲流量變化趨勢尤為明顯，從10-4級別減小為10-6級別，K0+250斷面的單寬滲流量基本保持不變。原因是河床覆蓋層厚度分布不均勻，左邊淺、右邊深，在防滲墻未貫穿覆蓋層之前，隨著防滲墻深度的增加，斷面單寬流量逐漸減小，當防滲墻貫穿覆蓋層后，滲流量驟降，例如防滲墻深度為42 m時，樁號K0+150斷面單寬滲流量驟降。

（2）防滲墻的深度從20 m增加到22 m時，壩體壩基年滲流量驟降，從23.32×105m3下降到14.09×105m3，隨著防滲墻深度的增加，滲流量逐漸減小，防滲墻深度從22 m增加到52 m時，年滲流量從14.09×105m3呈線性下降到1.26×105m3；在防滲墻深度超過52 m以后，各斷面防滲墻基本貫穿覆蓋層，滲流量趨于穩(wěn)定。

圖6 不同防滲墻深度的年滲流量

（3）根據(jù)相關規(guī)范[22]，結合國內(nèi)有關工程對壩基滲漏量的控制標準確定允許滲漏量，該水庫壩址多年平均徑流量為1.06×108m3，設計采用壩基滲漏量的控制標準為不大于多年平均徑流量的2%。對比分析可以看出，在正常蓄水情況下，防滲墻深度為22 m時，年滲流量為14.09×105m3，占壩址區(qū)多年平均徑流量的1.33%，而且出逸比降均小于壩體填筑料和覆蓋層的允許滲透比降0.15，不會發(fā)生滲透破壞，因此初步確定防滲墻深度為22 m。

2 滲流計算分析

2.1 計算工況

前述分析表明，采用懸掛防滲墻方案，在防滲墻深度為22 m時，可以滿足防滲要求。為了更全面地分析壩體和壩基防滲體系的作用效果，需要考慮多種工況確定壩體和壩基滲流量、滲透比降、壩體浸潤線及其下游出逸點的位置等，判明壩體和壩基的滲透穩(wěn)定性。為此，針對前述建立的 K0+50、K0+100、K0+150、K0+200、K0+250等5個斷面的分析模型，考慮正常蓄水位、設計洪水位、校核洪水位3種工況進行滲流穩(wěn)定分析。在滲流分析中，上下游邊界條件均為定水頭邊界，上下游壩址區(qū)滲流分析計算工況及邊界條件見表3。

表3 大壩滲流計算工況

2.2 混凝土防滲墻防滲效果分析

2.2.1 壩體浸潤線分析

在大壩一、二、三工況下進行二維滲流分析，最大剖面K0+150壩體浸潤線見圖7。從圖7可以看出：

（1）在一、二、三工況下，隨著上、下游水位的上升，上游壩體內(nèi)部浸潤線均有上升，下游壩體內(nèi)部浸潤線受水位影響較小，且均位于下游排水層底部。

圖7 大壩最大剖面浸潤線示意

（2）隨著上游水位從正常蓄水位上升至校核洪水位，下游出逸點高程從4 189.3 m上升至4 190.6 m，出逸點位于下游排水體中部；剖面K0+150的出逸點位于壩體下游坡面底部，其他剖面均沒有出逸點。

2.2.2 水頭等值線及孔隙水壓力等值線分析

最大剖面K0+150水頭等值線及孔隙水壓力等值線如圖8、圖9所示。

圖8 最大剖面水頭等值線（單位：m）

由圖8、圖9分析可知：

（1）混凝土心墻附近水頭分布較一致，水壓從上游至下游幾乎均勻減小，有較好的穩(wěn)定性。上下游的水頭差主要由瀝青混凝土心墻和防滲墻為主的防滲體系共同承擔，隨著水位的升高，大壩上游的水頭等值線增多且變化幅度較大，大壩上游的滲流量增大；而下游水頭等值線無明顯變化，說明防滲墻的防滲效果較好，無滲漏現(xiàn)象。

（2）壩體及壩基孔隙水壓力分布規(guī)律相似，孔隙水壓力逐漸向內(nèi)部增大，當上游水位較高的時候，上游壩坡內(nèi)部孔隙水壓力較大，在瀝青混凝土心墻和防滲墻為主的防滲體系處產(chǎn)生驟降，下游壩坡內(nèi)部孔隙水壓力較小。

圖9 最大剖面孔隙水壓力等值線（單位：m）

2.2.3 滲透比降分析

不同工況條件下，大壩各剖面的滲透比降計算結果見表4，最大剖面K0+150沿建基面處滲透比降變化曲線見圖10。

圖10 K0+150剖面沿建基面滲透比降變化曲線

表4 大壩各樁號剖面滲透比降計算結果

由表4和圖10分析可知：

（1）在3種不同工況下，瀝青混凝土心墻和混凝土防滲墻的滲透比降變化規(guī)律基本一致，在設計洪水位時，K0+250處心墻和防滲墻的滲透比降較大，最大達到了70，到校核洪水位時，滲透比降下降到22～35之間，心墻和防滲墻的滲透比降均小于80，有效防止了管涌和流土現(xiàn)象。心墻下游壩體溢出段的滲透比降滿足小于0.15的滲透穩(wěn)定要求，下游面出口滲透坡降很安全。砂礫層滲透比降小于允許值0.15，各斷面的滲透比降均在允許滲透比降范圍內(nèi)，壩體、壩基滲流穩(wěn)定，不會發(fā)生滲透破壞。

（2）在正常蓄水位、設計洪水位、校核洪水位工況下，瀝青混凝土心墻處滲透比降驟升，而在其上游和下游處滲透比降很小，說明大壩防滲有較好的穩(wěn)定性。

3 防滲墻深度的三維模型驗證分析

由于該工程壩軸線方向的覆蓋層深度變化較大，因此建立三維有限元模型，對上述確定的防滲墻深度進行校核分析。三維模型如圖11所示，模型計算范圍：上游側邊界距壩軸線200 m、下游側邊界距壩軸線300 m、距上下游壩坡均接近1.5倍壩高、左右岸距壩肩均1倍壩高。三維模型中防滲墻深度為22 m，模型規(guī)模為32 660個節(jié)點31 849個單元。

圖11 大壩三維滲流計算模型

通過三維模型計算可知，采用22 m深的懸掛式防滲墻時，壩體、壩基以及繞壩的年滲流量為1.76×106m3，占壩址區(qū)多年平均徑流量的1.66%，相比二維模型計算的年滲流量增大了0.35×106m3，但仍然可以滿足設計要求的不大于壩址區(qū)多年平均徑流量的2%，說明上述確定的22 m混凝土防滲墻是合理的。

4 結 語

（1）通過二維模型多種方案對比分析發(fā)現(xiàn)，當懸掛式防滲墻深度達到22 m時，大壩及壩基年滲流量為14.09×105m3，占壩址區(qū)多年平均徑流量的1.33%；三維有限元模型校核計算得到的大壩及壩基年滲流量是1.76×106m3，占壩址區(qū)多年平均徑流量的1.66%。說明采用22 m的混凝土防滲墻可以滿足滲漏量不大于壩址區(qū)多年平均徑流量2%的要求。

（2）大壩采用以瀝青混凝土心墻和防滲墻為主的防滲體系，可有效降低壩體內(nèi)部浸潤線高度，浸潤線在瀝青混凝土心墻處驟降，最大壩高處浸潤線降至排水層，下游出逸點位于下游排水體中下部。

（3）在正常蓄水位、設計洪水位、校核洪水位3種工況下，壩體及壩基孔隙水壓力分布規(guī)律相似，上游壩坡內(nèi)部孔隙水壓力較大，在以瀝青混凝土心墻和防滲墻為主的防滲體系處產(chǎn)生驟降，下游壩坡內(nèi)部孔隙水壓力較小。

（4）瀝青混凝土心墻和混凝土防滲墻的滲透比降均小于允許值80，壩體填筑材料和天然砂礫石層的滲透比降小于允許值0.15，均滿足滲透穩(wěn)定要求。

（5）盡管本文通過滲流分析得到防滲墻深度為22 m時可滿足壩體和壩基防滲要求，但是滲流量相對較大，瀝青混凝土心墻和混凝土防滲墻的滲透比降也較大，接近臨界值。因此，一定要嚴控施工質(zhì)量，嚴格對壩體材料、防滲材料進行檢驗，加強施工期和運行期監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析。