多級橡膠壩截滲墻縫隙滲漏測算方法研究

厲建陽

(蒙陰縣水利局， 山東 臨沂 276000)

橡膠壩是應用于水利工程的一種先進技術，與傳統(tǒng)水利工程有很大區(qū)別，橡膠壩主要分為土建、壩袋、截滲墻等部分。截滲墻的部分采用深層攪拌樁截滲墻技術，以應對橡膠壩滲流[1- 3]。因為該技術具備使用設備簡單、施工方便、無污染等特點，在我國應用廣泛。深層攪拌樁截滲墻技術需要使用水泥土，這些水泥土會在攪拌樁成樁后的使用過程出現(xiàn)一些裂縫，導致截滲墻產(chǎn)生滲漏情況。滲漏產(chǎn)生的原因很多，比如深層攪拌樁樁身強度問題、深層攪拌樁墻體均勻性問題、施工垂直度控制問題等[4]。為準確測算截滲墻縫隙滲漏情況，提出多級橡膠壩截滲墻縫隙滲漏測算方法，通過測算縫隙滲漏量和縫隙滲漏流速，實現(xiàn)截滲墻縫隙滲漏整體高精度測算。

1 多級橡膠壩截滲墻縫隙滲漏測算方法

1.1 工程概況

某地區(qū)多級橡膠壩為中型規(guī)模，工程等別為Ⅲ等，永久建筑物級別為3級。橡膠壩攔蓄水量2130萬m3，攔蓄水位21.7m，壩高4.7m，死庫容596萬m3，死水位16.9m，洪水泄量4201m3/s，防洪標準為50a一遇；灌溉保證率為55%。工程完成蓄水后，庫容可達2130m3，水面面積達到352萬m2，回水長度8.7km。橡膠壩凈寬84m的孔共有3個。右岸設有2個凈寬為2.8m的放水閥孔，垂直水流方向凈寬和順水流方向總長分別為270.1、110m。該工程主要由鋪蓋、壩室段防沖槽、截滲墻等部分構成[5]。該工程能夠增加并改善灌溉面積約3266.67hm2。

1.2 截滲墻

截滲墻作為多級橡膠壩工程中的重要部分，其墻體完整性及連續(xù)性是截滲墻工程的核心，截滲或者增加滲徑防滲是其主要功能。利用防滲墻提高地基抗?jié)B能力，避免明水及地下滲漏水對建筑物產(chǎn)生滲透性破壞[6]。

完成該工程地質(zhì)資料分析后，發(fā)現(xiàn)該處砂層底高程約為7.9m，選擇深層攪拌樁截滲墻作為該工程的截滲方式，截滲墻墻底高程和墻厚分別為6.8和0.5m，平均深度約9.8m。不透水層深度0.6m，滲透系數(shù)取10-6cm/s。為提高工程安全性，將4道深層水泥攪拌樁設置在壩室和鋪蓋段以加固壩基。在橡膠壩上下游圍堰處和兩岸工程處各設一道有效厚度為398mm的深層水泥攪拌樁板墻，形成封閉空間，使?jié)B透壓力下降并縮減施工排水量，以此達到工程保護的目的[7- 8]。圍封壩基可以取得以下效果：

(1)大范圍縮減橡膠壩地基及壩體兩端的滲漏量。

(2)降低滲流口出口的坡度，使該坡度保持在規(guī)定范圍內(nèi)。

(3)降低滲透壓與揚壓力的比值，使橡膠壩地基的穩(wěn)定性保持在規(guī)定范圍內(nèi)。

(4)降低礫粗砂的液化性，封堵橡膠壩右端的液化礫粗砂。

(5)在橡膠壩兩岸的翼墻處布置基坑，可精準獲得橡膠壩的滲透質(zhì)量。

將滲透系數(shù)作為橡膠壩深層攪拌樁截滲墻控制性指標，在防滲工程中攪拌樁的抗壓強度雖然不作為控制性指標，但是攪拌樁的抗壓強度作為壩體攪拌樁的設計指標，可以體現(xiàn)水泥攪拌樁的質(zhì)量[9- 10]。水泥摻入量、土壤含水量、攪拌均勻程度等影響因素，都能夠影響水泥土抗?jié)B性能。水泥土滲透性由原土滲透特性和水泥土固化作用兩者決定，因此可以用原土滲透系數(shù)表示水泥土滲透系數(shù)，原土滲透系數(shù)見表1。

表1 原土滲透系數(shù)

由于水泥土滲透性、強度和耐久性之間具有很大關聯(lián)性，因此通常采用滲透性作為水泥耐久性的評價指標，水泥土滲透性越大導致水泥土耐久性越差[11]。水泥土的強度影響水泥土的滲透性，可以理解為水泥土的滲透性隨著水泥土強度的提高而降低，從而使水泥土的耐久性提高[12]。

1.3 截滲墻縫隙滲漏測算

1.3.1滲漏量測算

裂縫數(shù)量較多、分布比較密集、貫穿性裂縫且裂縫方向沿水平方向分布是深攪截滲墻水泥土發(fā)生損壞時的常見表現(xiàn)[13]。因此，采用裂縫滲漏計算模型完成截滲墻縫隙滲漏量的測算，解決上述情況下橡膠壩滲漏測算問題。

設橡膠壩水深為S0，裂縫等效縫寬為di(i=1，2，3，…，n)，n是裂縫總數(shù)。

實際工程中墊層表面的滲透系數(shù)相對較小，是因為對墊層表面實行了固化處理[14- 15]。防止截滲墻表面形成大量縫隙，在縫隙之間產(chǎn)生連通性，造成橡膠壩截滲墻滲漏，因此需要使截滲墻裂縫下端測壓管水頭保持一致；各個裂縫上游端的測壓管水頭也相等均為S0；可以看作沿各條裂縫的滲透坡降近似相等，將其設為Gf，則單寬滲流量pf為：

(1)

式中，Wf—截滲墻裂縫的等效滲透系數(shù)。

在縫隙密集的情況下，將截滲墻滲漏問題看作宏觀準連續(xù)介質(zhì)滲漏問題，此時，宏觀準連續(xù)截滲墻滲漏坡降和截滲墻裂縫的滲透坡降相等，均為Gf，引入一個物理量，即等效均化滲透系數(shù)為Wy，代表截滲墻宏觀滲透特性，則宏觀準連續(xù)性截滲墻的單寬滲流量為：

pu=WyGfT

(2)

忽略由裂縫分割形成混凝土截滲墻的滲漏作用，獲取滲漏流量等效原則：

pu=pf

(3)

根據(jù)公式(1)～(3)得出：

(4)

式中，Ai—截滲墻縫隙粗糙修正系數(shù)，i=1，2，…，n；υ—水單位體積所具有的重量；σ—流動體黏滯系數(shù)；T—水面以下的截滲墻長度。

綜上所述，在裂縫滲漏模型計算過程中，采用等效化滲透系數(shù)，裂縫截滲墻作為宏觀準連續(xù)介質(zhì)。依據(jù)該模型進行截滲墻縫隙滲漏的模擬計算。雖然前期的數(shù)據(jù)準備工作量較大，由于等效化滲透系數(shù)Wy表示所有截滲墻的滲透系數(shù)，可使截滲墻的有限元模型簡化，快速計算出橡膠壩截滲墻縫隙滲漏量。

1.3.2滲漏流速測算

假設橡膠壩壩體內(nèi)介質(zhì)為均勻介質(zhì)，且比熱容浮動小很多，可以忽略不計，壩體滲漏水體的線熱源釋放熱量功率w1是常數(shù)，則過余溫度的計算公式為：

(5)

式中，R—半徑，m；c—熱傳導系數(shù)，m2/h；?—歐拉系數(shù)，取為0.5772；k—溫度變化，℃。

k=K-K0

(6)

式中，K—變化后溫度，℃；K0—初始溫度，℃。

壩體初始水流溫度和截滲墻縫隙內(nèi)側溫度分別為K1和Kz，截滲墻滲漏縫隙的水體半徑和壩底地下巖體半徑分別為r1和r2，K2為r2處的原始溫度，因此，得出熱力學方程為：

(7)

兩邊同時對r積分，當r=r1時，K=KZ；r=r2時，K=K2。根據(jù)牛頓冷卻定律能夠得知截滲墻滲漏縫隙側壁上的熱流密度：

ρ=c(KZ-K1)

(8)

側壁上熱流密度相同，因此可以得出：

(9)

β=cr1/?

(10)

設截滲墻縫隙內(nèi)水體流速是v，獲取縫隙內(nèi)線熱源的發(fā)熱率：

w1=-2πv?J

(11)

式中，J—r1、r2的相關常數(shù)，且存在：

(12)

為獲取截滲墻滲漏縫隙內(nèi)水體流速，將公式(12)代入公式(5)得出：

(13)

式中，F(xiàn)—縱向應力參數(shù)。

2 實例研究

選取已完工的某多級橡膠壩為測試對象。該測試多級橡膠壩的最大壩高128m，壩頂高程為1999m，壩頂全長418m，壩頂寬9m，深層攪拌樁截滲墻頂端厚0.2m，底部最大計算厚度0.65m，橡膠壩上游水位正常蓄水位和下游蓄水位分別為1994、1867m，深層攪拌樁截滲墻垂直縫受拉區(qū)和受壓區(qū)的間距分別為5、11m。

2.1 滲漏流量測算分析

為了驗證本文方法截滲墻縫隙滲漏測算的合理性，測試實驗對象在正常工況下和非正常工況下的縫隙滲漏情況，2種工況的滲漏計算結果見表2。

通過表2可以看出，在正常工況下和非正常工況下，本文方法測算的單寬滲漏流量和實測單寬滲漏流量分別相差0.02 、0.03m3/(s·m)，結果表明，本文方法的截滲墻縫隙滲漏流量測算結果與實測結果的吻合度較高，誤差較小。證明本文方法具備截滲墻縫隙滲漏流量測算合理性。

2.2 滲漏流量影響因素分析

通過2.1小節(jié)實驗可知，本文測算方法具備截滲墻縫隙滲流量測算準確性，依據(jù)本文方法測算結果研究各項因素對滲漏流量的影響。

表2 2種工況滲漏流量計算結果對比

2.2.1滲漏水角度對滲漏流量的影響

實驗對象在不同縫隙角度情況下，本文方法測算到的滲漏流量結果見表3。

表3 不同滲漏角度下本文方法滲漏流量測算結果

從表3可以看出，不同縫隙滲漏角度下的縫隙漏水量不同，在滲漏角度為90°～250°之間，滲漏水流量較大，其余角度相差較小。實驗結果表明，滲漏角度對滲漏流量存在一定影響。

2.2.2橡膠壩內(nèi)蓄水線深度對滲漏流量的影響

為了驗證壩內(nèi)蓄水線不同對滲漏流量的影響，不同的蓄水線時，本文方法測算到的實驗對象在同一滲漏部位的滲漏流量結果見表4。

表4 不同蓄水線深度情況下本文方法滲漏流量測算結果

從表4數(shù)據(jù)可以看出，在不同的蓄水線深度下，水下壓力會改變，蓄水線越高水下壓力越大，單寬滲流量和總滲流量就會增加，實驗結果證明，滲漏流量受蓄水線變化影響，蓄水線深度越深、滲流量越大。

2.2.3出逸坡降對滲漏流量的影響

為了研究滲漏水流出口的出逸坡降對滲漏流量的影響，利用本文方法測算實驗對象在5個不同蓄水線深度和6個不同出逸坡降的情況下的滲漏流量，測算結果如圖1所示。

圖1 不同蓄水線深度及出逸坡降情況下滲漏結果

通過圖1可以看出，同等出逸坡降下，蓄水線深度越大，滲漏流量越大；在同樣的蓄水線深度下，出逸坡降越大，滲漏流量越大；出逸坡降越小，滲漏流量越小。實驗結果表明，出逸坡降對截滲墻縫隙滲漏具有顯著影響。

2.3 滲漏流速測算分析

將實驗對象壩體中心點作為溫度采集的起點，在壩體不同深程處分別鉆孔，形成滲漏后，統(tǒng)計不同鉆孔滲漏部位水體溫度值下本文方法的滲漏水流速測算結果，結果見表5。

表5 本文方法的滲漏水流速測算結果

從表5數(shù)據(jù)可以看出，采用本文方法測算的滲漏水流速與實際滲漏水流速基本一致，2個數(shù)值相差最大值僅為0.05m/d，符合對滲漏流速和流量實時測量和掌握的需求。實驗結果表明，本文測算方法具備較高滲漏水流速測算精度。

2.4 縱向應力對滲漏流速的影響

通過2.3小節(jié)實驗可知，本文測算方法具備截滲墻縫隙滲流速測算準確性，依據(jù)本文方法測算結果研究縱向應力對滲漏流速的影響。

縱向應力是指深層攪拌樁截滲墻在施工后的較長時間內(nèi)產(chǎn)生的一種特征體現(xiàn)，為了測試縱向應力和截滲墻縫隙滲漏流速是否存在影響，測試實驗對象施工后的15、30、45d，縱向應力分別為1.4、2.5、3.6MPa。本文方法測算得到的截滲墻滲漏流速情況，如圖2所示。

圖2 不同縱向應力情況下的滲漏情況統(tǒng)計結果

從圖2的統(tǒng)計結果可以看出，在施工后的15、30、45d，不同縱向應力下的滲漏水流速不同，滲漏水流速隨著縱向應力值的增加而減小。實驗結果表明，縱向應力對于滲漏流速存在顯著影響，縱向應力越大，滲漏流速越小。

3 結論

本文研究多級橡膠壩截滲墻縫隙滲漏測算方法，以已完工的某多級橡膠壩作為測試對象，驗證本文測算方法的有效性。實驗以本文測算方法所獲實驗結果為依據(jù)，分析滲漏水角度、蓄水線深度、滲漏水流出口的出逸坡降3種因素對滲漏流量的影響，以及縱向應力對滲漏流速的影響。得出滲漏角度為90°～250°時，對滲漏流量影響較大；蓄水線深度越深、滲流量越大；出逸坡降越大，滲漏流量越大；縱向應力越大，滲漏流速越小。以上研究結果可為橡膠壩工程提供理論依據(jù)。