防滲墻參數(shù)對大壩滲流穩(wěn)定性影響研究

儲成洲

(安徽三洲水利建設(shè)有限公司，安徽 宿州 234000)

防滲墻是一種有效的水力大壩的防滲手段，具有施工簡便和防滲性能好的優(yōu)點(diǎn)。既有研究主要集中于防滲墻的防滲效果及滲流規(guī)律。彭昆和馬雅麗[1]基于MIDAS數(shù)值計(jì)算方法系統(tǒng)的研究了不同土石壩防滲體系效果。結(jié)果表明，斜心墻+混凝土防滲系統(tǒng)可以有效延長滲流路徑，防滲效果最佳。韓勇[2]基于Geo-slope/seepw建立數(shù)值計(jì)算模型，系統(tǒng)的分析了土石壩防滲墻在不同深度下壩體內(nèi)的滲流規(guī)律。結(jié)果表明，在大壩下游設(shè)置大型排水棱體，可以有效防止發(fā)生流土及管涌現(xiàn)象，保證壩基的穩(wěn)定。涂揚(yáng)舉等[3]依托四川瀑布溝水電站，建立數(shù)值計(jì)算模型，詳細(xì)的研究了瀑布溝高心墻土石壩滲流穩(wěn)定性。結(jié)果表明，連接部位的水力坡降呈非線性變化，其中混凝土結(jié)構(gòu)的頂部滲透坡降最大，心墻底部坡降最小。崔宏偉[4]基于數(shù)值模擬系統(tǒng)的研究了大壩防滲墻不同的特征參數(shù)對壩體穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，防滲墻厚度為0.8m，入巖深度2.0m最為經(jīng)濟(jì)合理。徐喆等[5]基于有限元分析了土石壩加固前后應(yīng)力變形特性。結(jié)果表明，防滲墻可以有效提高壩體的防滲效果，降低浸潤線高度，但由于設(shè)計(jì)不合理可能會導(dǎo)致混凝土防滲墻變形不協(xié)調(diào)，在墻底出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中。黃寧等[6]基于數(shù)值模擬系統(tǒng)的研究了土質(zhì)心墻壩防滲墻頂部土體剪切帶的變形及滲流規(guī)律。結(jié)果表明，采用剪切帶計(jì)算理論可以有效模擬土體連續(xù)變形。此外，設(shè)置剪切單元后可以使的豎向應(yīng)力平均值降低30%。

目前關(guān)于防滲墻的模擬多集中于單一模型的各向同性介質(zhì)[7]，考慮目前研究的不足，本文建立數(shù)值計(jì)算模型，采用用多孔介質(zhì)模型詳細(xì)的研究了防滲墻不同特征參數(shù)，如墻體埋深、厚度、位置及水位等因素對壩體穩(wěn)定性的影響。本文的研究可以在大壩出險(xiǎn)加固中提供參考。

1 數(shù)值模型

1.1 模型概述

本文研究的土石壩為典型土石壩，考慮數(shù)值計(jì)算效率計(jì)算效率，本文簡化壩基為二維模型，計(jì)算區(qū)域長度為壩建基面60m。簡化后的壩基臨水側(cè)和背水側(cè)最高水位分別為100和20m。大壩的壩基分為3層，第一層為透水性較差的黏土層；第二層為10m厚度的砂石強(qiáng)透水層，第三層為與第一層透水性相同的黏土層。模型的邊界條件為防滲墻為完全不透水層，邊界為墻體。假定河水流向?yàn)閄軸，與河水流向垂直的為Y軸，如圖1所示。

圖1 大壩典型剖面圖

1.2 數(shù)值計(jì)算模型參數(shù)

根據(jù)研究內(nèi)容。本文假定計(jì)算初始水位為100m臨水側(cè)，20m背水側(cè)，對應(yīng)的進(jìn)水口水頭邊界為98kPa。對應(yīng)的出口邊界為192kPa。根據(jù)土層性質(zhì)，黏土層的滲透系數(shù)取值為1×10-4m/s，壓縮系數(shù)為1×1013，孔隙率為0.35，砂土層的滲透系數(shù)取值為3.0×10-4m/s，壓縮系數(shù)為4×1013，孔隙率為0.5。此外，防滲墻的厚度、滲透系數(shù)及位置參數(shù)見表1。

表1 材滲透系數(shù)匯總

2 結(jié)果與分析

2.1 防滲墻的深度對滲流穩(wěn)定性的影響

為研究防滲墻深度對滲流穩(wěn)定性的影響。本文在假定深度為30m的防滲墻不變的工況下，匯總了防滲墻深度對滲流量和揚(yáng)壓力的影響如圖2所示。圖2(a)表明，滲流量隨深度的變化先保持不變隨后減小，當(dāng)深度分別為15、20、25、30、35和45m時(shí)，對應(yīng)的滲流量比值分別為0.95、0.93、0.9、0.5和0.4。圖2(b)結(jié)果表明，當(dāng)深度分別為15、20、25、30、35、和45m時(shí)，對應(yīng)的揚(yáng)壓力比值分別為0.58、0.56、0.51、0.23和0.19。綜合以上結(jié)果可知，當(dāng)防滲墻的深度大于30m時(shí)，深度對防滲效果的影響逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)繼續(xù)增大深度，在成本提高的同時(shí)，防滲效果提高一般。因此實(shí)際工程中30m深度的防滲墻比較合理。

圖2 防滲墻深度對滲流量和揚(yáng)壓力的影響

2.2 防滲墻厚度對防滲效果的影響

為研究防滲墻厚度對滲流穩(wěn)定性的影響。本文在假定深度為30m的防滲墻不變的工況下，匯總了防滲墻厚度對滲流量和揚(yáng)壓力的影響如圖3所示。圖3(a)表明，滲流量隨厚度的變化先保持不變隨后減小，當(dāng)厚度分別為6、8、10和12m時(shí)，對應(yīng)的滲流量比值分別為0.523、0.505、0.493和0.40。圖3(b)結(jié)果表明，當(dāng)深度分別為6、8、10和12m時(shí)，對應(yīng)的揚(yáng)壓力比值分別為0.274、0.258、0.254和0.227。綜合以上結(jié)果可知，防滲墻厚度增加對滲流量和揚(yáng)壓力的變化呈波動趨勢，實(shí)際工程中應(yīng)綜合工程具體情況及工程造價(jià)選取防滲墻厚度。

圖3 防滲墻厚度對滲流場和揚(yáng)壓力的影響

2.3 防滲墻滲透系數(shù)對防滲效果的影響

為研究防滲墻滲透系數(shù)對滲流穩(wěn)定性的影響。本文在假定深度為30m的防滲墻不變的工況下，匯總了防滲墻不同的阻力系數(shù)對滲流量和揚(yáng)壓力的影響如圖4所示。圖4(a)表明，滲流量隨阻力系數(shù)的變化先保持不變隨后增大，當(dāng)阻力系數(shù)分別為1×1010、2×1010、3×1010、4×1010、5×1010和6×1010時(shí)，對應(yīng)的滲流量比值分別為0.5525845、0.5525846、0.52848、0.522591、0.5225925和0.5225925。圖4(b)結(jié)果表明，當(dāng)阻力系數(shù)分別為1×1010、2×1010、3×1010、4×1010、5×1010和6×1010時(shí)，對應(yīng)的揚(yáng)壓力比值分別為0.2720565、0.272060、0.2720554、0.2720595、0.272055和0.2720525。綜合以上結(jié)果可知，當(dāng)阻力系數(shù)達(dá)到10×1010時(shí)，滲流量達(dá)到最大。隨阻力系數(shù)的增大，揚(yáng)壓力呈現(xiàn)波動趨勢。因此對于防滲墻的滲透系數(shù)選取方法中，滲流場受其影響較小，通過改變防滲墻的滲透系數(shù)提高防滲效果是不經(jīng)濟(jì)的。

圖4 防滲墻阻力系數(shù)對滲流場和揚(yáng)壓力的影響

2.4 防滲墻的位置對防滲效果的影響

為研究防滲墻位置對滲流穩(wěn)定性的影響。本文在假定深度為30m的防滲墻不變的工況下，匯總了防滲墻位置對滲流量和揚(yáng)壓力的影響如圖5所示。圖5(a)表明，滲流量隨深度的變化先增大隨后減小，當(dāng)距遠(yuǎn)點(diǎn)位置分別為9、15、21、27、33、和39m時(shí)，對應(yīng)的滲流量比值分別為0.5215、0.5255、0.528、0.529、0.528和0.525。圖4(b)結(jié)果表明，當(dāng)距遠(yuǎn)點(diǎn)位置分別為9、15、21、27、33、和39m時(shí)，對應(yīng)的揚(yáng)壓力比值分別為0.264、0.291、0.312、0.32、0.312和0.298。綜合以上結(jié)果可知，當(dāng)防滲墻的位置為距原點(diǎn)27m時(shí)，滲流量和揚(yáng)壓力達(dá)到最大值。因此實(shí)際工程中防滲墻的設(shè)置位置應(yīng)盡量靠近臨水側(cè)壩踵以降低壩基揚(yáng)壓力[8]。

圖5 防滲墻深度對滲流場和揚(yáng)壓力的影響

2.5 堤壩的蓄水水位

為研究提拔蓄水水位對滲流穩(wěn)定性的影響。本文匯總了提拔不同蓄水位下滲流量和揚(yáng)壓力的影響如圖6所示。圖6(a)表明，滲流量比值隨水位的增大而增大且兩者呈線性關(guān)系，當(dāng)水位分別為100、120、140、160、180和200m時(shí)，對應(yīng)的滲流量比值分別為0.51、0.61、0.76、0.90、1.0和1.14。圖4(b)結(jié)果表明，當(dāng)深度分別為15、20、25、30、35、和45m時(shí)，對應(yīng)的揚(yáng)壓力比值分別為0.254、0.305、0.40、0.45、0.525和0.62m。綜合以上結(jié)果可知，當(dāng)水位從100m增大至200m時(shí)，揚(yáng)壓力的比值式中小于1，證明揚(yáng)壓力滿足規(guī)范安全性要求。當(dāng)水位在180m時(shí)，防滲墻失去了防滲效果。

圖6 堤壩水位對滲流場和揚(yáng)壓力的影響

3 結(jié)語

本文采用數(shù)值模擬研究了混凝土防滲墻特征參數(shù)對滲流穩(wěn)定性的影響，系統(tǒng)的分析了防滲墻高度、深度、位置及水位對滲流量比值及揚(yáng)壓力比值的影響，得到如下結(jié)論。

(1)當(dāng)防滲墻的深度大于30m時(shí)，深度對防滲效果的影響逐漸趨于穩(wěn)定，當(dāng)繼續(xù)增大深度，在成本提高的同時(shí)，防滲效果提高一般。因此30m深度的防滲墻比較合理。

(2)隨防滲墻阻力系數(shù)的增大，揚(yáng)壓力呈現(xiàn)波動趨勢。因此對于防滲墻的滲透系數(shù)選取中，滲流場受其影響較小，通過改變防滲墻的滲透系數(shù)提高防滲效果是不經(jīng)濟(jì)的。此外，防滲墻厚度選取應(yīng)綜合工程具體情況選定。

(3)當(dāng)防滲墻的位置為距原點(diǎn)27m時(shí)，滲流量和揚(yáng)壓力達(dá)到最大值。因此防滲墻的設(shè)置位置應(yīng)盡量靠近臨水側(cè)壩踵位置以降低壩基揚(yáng)壓力。