中洲圩堤防工程黏土鋪蓋防滲作用的應(yīng)用分析

廖軍萍

(寧都縣梅江灌區(qū)水利樞紐管理中心,江西 贛州 342800)

0 引 言

水利堤防工程可采取黏土鋪蓋進(jìn)行面板防滲,此類防滲措施對(duì)于水流流速小、河床開闊、沖刷較弱、壩基透水覆蓋層較厚、無強(qiáng)透水夾層的均質(zhì)地基均較為適用。黏土鋪蓋防滲無法截?cái)嗨?其主要通過增加滲徑的方式降低地基滲流量及水力坡降,進(jìn)而改變壓力分布,降低滲透壓力。黏土鋪蓋施工過程簡(jiǎn)單,技術(shù)簡(jiǎn)便;水面施工拋投快速、無需碾壓便能快速閉氣、止漏;黏土鋪蓋還具有較大柔性,與填土體、岸坡等結(jié)合快速,較好適應(yīng)壩體壩基變形。

基于此背景,文章擬采用三維飽和-非飽和滲流有限元技術(shù)構(gòu)建具體工程高面板砂礫石壩分析模型,并研究壩體浸潤線受黏土鋪蓋滲透影響程度、滲縫寬度與滲透系數(shù)的關(guān)系,為止水失效工況下面板壩防滲處理提供理論依據(jù)。

1 工程概況

中洲圩堤全長10.74km,樂平市和萬年縣境內(nèi)長度分別為6763m和3977m,其中沿左河道圩堤長度2.54km,沿右河道圩堤長度8.20km;中洲圩保護(hù)國土面積637hm2、耕地面積500hm2。該圩堤采用混凝土面板堆石壩,壩頂增設(shè)U型防浪墻,堆石壩迎水坡、背水坡坡比分別為1∶1.6和1∶1.5;全壩段共設(shè)置60條面板豎縫,且均采用硬平縫結(jié)構(gòu),縫面均勻涂刷防黏劑,縫底則設(shè)置銅止水。該圩堤面板堆石壩劃分為蓋重區(qū)、鋪蓋區(qū)、墊層區(qū)、特殊墊層區(qū)、過渡區(qū)、反濾料、堆石區(qū)、護(hù)坡及混凝土面板等。河床平趾板建基面、兩岸趾板均設(shè)置在弱風(fēng)化基巖上;壩體混凝土面板為變厚度設(shè)計(jì),頂端及底部分別厚0.5m、1.3m;壩前黏土鋪蓋也采用變厚度設(shè)計(jì),頂端及底部厚度分別為4.1m和34.5m。

2 模型構(gòu)建

構(gòu)建順河向剖面有限元模型,展開止水性能、止水失效后壩體和壩基滲流場(chǎng)變化等情況的模擬分析?？紤]到河道的對(duì)稱性,在河床中心取半縫寬以及2塊面板壩段,進(jìn)行壩段中央面板止水失效情況分析。以壩軸線與平面上縫中線交點(diǎn)為原點(diǎn),上下游向?yàn)閤軸,且下游向?yàn)檎?壩軸線方向?yàn)閥軸,左岸向?yàn)檎?鉛垂方向?yàn)閦軸,向上為正。在選取模型邊界時(shí),上游取壩踵以上1倍壩高,即x=-900m;下游取壩址以下1倍壩高,即x=900m;左岸取至第2塊面板邊緣;右岸取至局部失效面板邊緣;垂直向取至防滲帷幕以下210m。

按照自動(dòng)剖分方式選取控制剖面,并構(gòu)建超單元[1]。為準(zhǔn)確模擬面板豎縫,并降低計(jì)算量,應(yīng)從面板縫開始,不斷增大y向坐標(biāo)值;并以y取2.5、5.0、7.5、10.0、12.5、15.0mm等值依次表示0.5條、1.0條、1.5條、2.0條、2.5條、3.0條的面板豎縫條數(shù),對(duì)應(yīng)的面板寬度依次在2.5～32000mm、5～32000mm、7.5～32000mm、10～32000mm、12.5～32000mm、15～32000mm。

針對(duì)寬度分別為5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm的面板豎縫構(gòu)建模型,以模擬可能的滲流情形。考慮到失效豎縫失效情況復(fù)雜,滲透系數(shù)變化較大,為模擬其強(qiáng)透水性,將其滲透系數(shù)暫定為100cm/s。結(jié)合地勘報(bào)告及工程實(shí)際確定堤防加固工程壩體及壩基巖體滲透系數(shù)取值,具體而言,上游鋪蓋區(qū)、蓋重、墊層區(qū)、特殊墊層區(qū)、過渡區(qū)、砂礫石區(qū)、反濾料、排水區(qū)、下游堆石區(qū)、面板滲透系數(shù)分別為1.00×10-5cm/s、1.00×10-2cm/s、4.10×10-3cm/s、8.78×10-5cm/s、6.48×10-3cm/s、3.34×10-3cm/s、3.18×10-2cm/s、1.64×100cm/s、5.07×10-2cm/s、1.00×10-8cm/s;中等透水、弱透水、微透水、相對(duì)不透水基巖滲透系數(shù)依次取1.00×10-4cm/s、7.50×10-5cm/s、2.50×10-5cm/s、1.00×10-5cm/s。

3 黏土鋪蓋防滲效果

3.1 黏土鋪蓋的滲透穩(wěn)定性

水下黏土鋪蓋區(qū)所在砂礫覆蓋層受到水流作用而表現(xiàn)出的滲透破壞是引發(fā)黏土鋪蓋破壞的主要原因[2]。為此,黏土鋪蓋區(qū)覆蓋層必須具備較好的滲透穩(wěn)定性,逸出坡降不得超出允許坡降,層間滲透系數(shù)也應(yīng)符合防止發(fā)生內(nèi)外部管涌的要求。對(duì)于均質(zhì)砂礫所組成的地基,滲流沿堆石壩面板均勻分布,基本不會(huì)出現(xiàn)揚(yáng)壓力明顯集中現(xiàn)象,黏土鋪蓋防滲效果較好。而對(duì)于包含強(qiáng)透水帶、透鏡體、不連續(xù)帶的非均質(zhì)砂礫地層,滲透水壓力會(huì)順著薄弱層間傳遞,并在背水側(cè)積蓄成較大揚(yáng)壓力,引發(fā)黏土鋪蓋局部崩陷及集中滲流。

綜合以上分析,圩堤加固工程面板堆石壩黏土鋪蓋在運(yùn)行過程中受到兩方面滲流的作用,一是從黏土鋪蓋頂面垂直流經(jīng)下部覆蓋層后匯入下游;二是從黏土鋪蓋前端流入覆蓋層。

3.1.1 垂直向滲透穩(wěn)定

黏土鋪蓋垂直向滲流運(yùn)動(dòng)引發(fā)的結(jié)構(gòu)體滲流變形形式受土料屬性和密實(shí)度的影響較大。黏土塊之間存在架空結(jié)構(gòu),難崩解,滲流也多表現(xiàn)為管流,以管道沖刷為主要破壞形式。此后隨著含水量的增大,逐漸軟化密實(shí),進(jìn)而表現(xiàn)為局部流土和沖刷的混合破壞形式[3]。

3.1.2 與壩基接觸面間的滲透穩(wěn)定

該圩堤加固工程黏土鋪蓋布置在截流粗化的覆蓋層上,與砂礫地基緊密接觸。在順黏土鋪蓋底面和壩基接觸面間的水平滲流對(duì)鋪蓋造成接觸沖刷時(shí),砂礫石內(nèi)的細(xì)土粒最先受到滲流的影響并啟動(dòng);隨滲流比降的持續(xù)提升,黏土鋪蓋底部隨即遭到?jīng)_刷影響,土體顆粒持續(xù)流失,最終造成鋪蓋穿孔,流土過程也隨之結(jié)束。分散性較好的黏土進(jìn)入砂礫層空隙后起到淤積粗化作用,地基空隙直徑持續(xù)減小,對(duì)此類破壞起到一定的抵御效果。

3.2 對(duì)壩體滲流場(chǎng)的影響

假定100m壩高高程以下接縫全長失效,則通過分析壩體豎縫止水失效前后典型斷面滲流場(chǎng)可以看出,豎縫止水失效前,墊層后壩體浸潤線最大高程取2701.20m,且浸潤線變化平緩,坡降均值為170.21m,墊層區(qū)及主砂礫堆石區(qū)坡降均值分別為0.0491和0.0540。豎縫止水失效后,墊層后壩體浸潤線最大高程取2709.14m,坡降均值為154.30m,墊層區(qū)及主砂礫堆石區(qū)坡降均值分別為0.2347和0.0910。考慮到面板豎縫前黏土鋪蓋具有較小的滲透系數(shù),失效豎縫周圍的等勢(shì)線也逐漸集中至面板前的鋪蓋內(nèi)。根據(jù)豎縫止水失效后鋪蓋內(nèi)等勢(shì)線分布的集中程度判斷,豎縫止水失效后黏土鋪蓋坡降呈增大趨勢(shì),但并未超出允許范圍;止水失效前豎縫處壩體及壩基單寬滲流量均為1.74m2/d,失效后單寬流量增大至10.76m2/d。充分說明,豎縫止水失效過程中黏土鋪蓋起到了一定防滲作用,但因防滲效果劣于面板,造成豎縫處滲流量明顯增大的趨勢(shì)。

3.3 黏土鋪蓋滲透系數(shù)敏感性

假定100m壩高高程以下接縫止水全長失效,則通過分析接縫寬度為5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm時(shí)黏土鋪蓋滲透系數(shù)和墊層后壩體浸潤線高程的關(guān)系取值(表1)可以看出,在壩體豎縫止水失效后,因相應(yīng)位置的黏土鋪蓋代替面板發(fā)揮了主要的防滲作用,故壩體浸潤線受到黏土鋪蓋滲透系數(shù)變化的影響較大;隨著黏土鋪蓋滲透系數(shù)值的增大,其阻隔滲水的能力持續(xù)減弱,浸潤線最終升高至止水失效豎縫的頂端,而后增速減緩,整體表現(xiàn)為二次拋物線形狀;以上變化趨勢(shì)說明,當(dāng)?shù)谭兰庸坦こ痰虊蚊姘遑Q縫止水失效后,黏土鋪蓋滲透系數(shù)取值及阻滲性能便成為整個(gè)堤壩防滲體系的關(guān)鍵[4]。

表1 黏土鋪蓋滲透系數(shù)與墊層后壩體浸潤線高程

當(dāng)黏土鋪蓋滲透系數(shù)取定值的情況下,隨著豎縫寬度的增大,壩體典型斷面浸潤線呈升高趨勢(shì),但因受到豎縫止水失效長度的制約,升幅不大;浸潤線最終均抬升至豎縫頂部區(qū)域。失效豎縫寬度對(duì)壩體浸潤線的影響程度明顯小于黏土鋪蓋滲透系數(shù)的影響程度。

因受到豎縫止水失效的影響而造成浸潤線波動(dòng)時(shí),為保持壩體和壩基滲流穩(wěn)定,也就是在豎縫寬度既定時(shí)使黏土鋪蓋滲透系數(shù)取最小值,可暫不對(duì)失效豎縫止水結(jié)構(gòu)實(shí)施修補(bǔ)。100m壩高高程以下豎縫全長失效后,如果壩體浸潤線高程滲流量符合滲透穩(wěn)定要求,則可得出黏土鋪蓋滲透系數(shù)和面板失效縫寬之間的關(guān)系,具體見表2。

表2 黏土鋪蓋滲透系數(shù)和面板失效縫寬

根據(jù)表中結(jié)果,隨著失效豎縫寬度的增大,在面板浸潤線及滲流量不變的情況下,壩前黏土鋪蓋滲透系數(shù)呈減小趨勢(shì);這種情況下如果面板豎縫止水失效,則可暫不修補(bǔ)。據(jù)此可以判斷,因受到強(qiáng)震等外界原因或壩體自身材料、施工質(zhì)量等內(nèi)部原因的影響,面板豎縫止水開裂,則在豎縫高度既定的情況下,只需采取恰當(dāng)措施保證黏土鋪蓋滲透系數(shù)達(dá)到《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 228-2013)及工程設(shè)計(jì)要求,無需展開專項(xiàng)防滲修補(bǔ),便可保證面板壩正常運(yùn)行。

4 結(jié) 論

綜上所述,在圩堤加固工程混凝土面板堆石壩豎縫止水失效后,黏土鋪蓋能發(fā)揮較好的防滲作用,且黏土鋪蓋滲透系數(shù)變化對(duì)壩體浸潤線高程的影響程度比豎縫寬度更大。在面板堆石壩設(shè)計(jì)時(shí),必須嚴(yán)格控制黏土鋪蓋滲透系數(shù)取值范圍,以降低強(qiáng)震等因素造成壩體面板豎縫失效而增大防滲修復(fù)任務(wù)量。限于篇幅,文章僅展開了豎縫止水失效寬度及黏土鋪蓋滲透系數(shù)對(duì)鋪蓋防滲效果影響的分析,為全面評(píng)價(jià)黏土鋪蓋防滲效果,還必須研究其對(duì)墊層料、水平縫失效的影響程度。