覆蓋層上面板堆石壩地基防滲墻深度探討

賈學萍

（嵐皋縣水利局 陜西 嵐皋 725400）

隨著我國水利水電事業的發展，越來越多的大壩修建在深厚覆蓋層地基上，特別是我國西南地區。深厚覆蓋層是指堆積于河谷底，厚度大于30 m的第四紀松散堆積物，其顆粒組成偏粗大且透水性強，是一種地質條件差且復雜的地基[1]。對于建于深厚覆蓋層上的大壩，壩基的滲流控制是最關鍵的技術問題，其直接關系到大壩的穩定及效益[2-4]。覆蓋層上面板堆石壩的防滲系統主要有防滲墻、趾板、面板以及防浪墻組成，其中防滲墻是覆蓋層地基的主要防滲措施[5]。由于覆蓋層過于深厚，地基中越來越多采用懸掛式防滲墻[6]。本文從防滲墻滲流控制效果的角度，分析地基中防滲墻的合理深度。

1 工程概況

某面板堆石壩最大壩高111 m，壩頂寬10 m，長348.20 m，包含三臺機組，總裝機容量240MW。壩地處高山峽谷地區，河谷呈“V”型，山勢陡峻。河床覆蓋層厚度44 m～50 m。覆蓋層從底部到頂部主要可以劃分為以下幾部分：表部水庫淤積層厚約2 m～4 m；上部含碎石塊石砂卵礫石層厚6 m～20 m；中部砂卵礫石層厚12 m～15 m，是河床覆蓋層的主體層；底部含塊碎石的砂卵礫石層厚5 m～10 m。覆蓋層地基中采用一道厚1 m的防滲墻進行防滲。

2 滲流場有限元模型

2.1 有限元模型

滲流計算模型考慮基巖、兩岸山巖以及壩體和防滲墻，同時對覆蓋層進行分層，以體現覆蓋層的一般性。對模型進行正常蓄水位條件下的穩態滲流計算。河床覆蓋層總共取50m（由上到下三層分別取為20 m、15 m、15 m），使用八節點六面體等參單元對幾何模型進行網格剖分，共剖分單元總數67185，節點總數73184，網格剖分圖如圖1所示。模型壩基底面、上下游側面及左右岸側面按不透水邊界考慮。

圖1 計算模型

2.2 計算參數和方案

根據工程實際的試驗結果以及類比其它工程資料，滲流穩定計算模型各分區材料滲透系數取值見表1。為全面從滲流控制效果的角度探討防滲墻的合理貫入深度。各覆蓋層取三組不同滲透系數，其中一、二組各層滲透系數分別取為：第一組5.5×10-4m/s、5.0×10-4m/s、4.6×10-4m/s，第二組6.0×10-4m/s、5.5×10-4m/s、5.0×10-4m/s，第三組覆蓋層取相同的值且為較小值，取為5.0×10-6m/s，分別計算三組系數下防滲墻深度從0 m增加到50m各種工況下的各水力要素。

3 結果分析

圖2為覆蓋層取第一組滲透系數時，無防滲墻及防滲墻深為50m時，模型X=260 m剖面處的水頭等值線。圖3為通過壩基的滲流量大壩特征部位水力坡降與防滲墻深度之間的關系曲線。圖中第一組系數、第二組系數、第三組系數分別指覆蓋層取對應的三組不同的滲透系數。

由圖2可以看出，由于防滲墻的相對不透水性，防滲墻附近水頭差最大，水頭等值線最密，離開防滲墻后水頭等值線逐漸變疏。防滲墻消殺水頭作用明顯，當防滲墻截斷覆蓋層到達基巖時，總水頭基本被防滲墻消殺。同時，防滲墻越深水頭等值線越向防滲墻靠攏，底端水頭線越密集，因此防滲墻底部覆蓋層水力坡降將會較大，此部位容易發生滲透破壞，特別是采用懸掛式防滲墻時，由于此部位具有一定的殘渣段，允許滲透坡降較小，安全儲備較低，應特別注意對其進行防護。由圖還可以看出采用防滲墻后，壩體浸潤線明顯降低，說明防滲墻對降低壩體浸潤線有一定作用，有利壩坡穩定。其它兩組覆蓋層滲透系數下，上述計算結果均得到相同規律。

由圖3可以看出，防滲墻未達相對不透水層之前，通過壩基的滲流量隨防滲墻深度的增加而相應的減少，但減少幅度有限。覆蓋層滲透系數較大時，防滲墻平均每增加5 m，滲流量減少0.225m3/s左右，而當防滲墻達到相對不透水層后滲流量驟減為0.00408m3/s左右，相對無防滲墻減少量達99.81%。對比一、二組不同覆蓋層滲透系數的結果可知，覆蓋層滲透系數越大效果越明顯。第三組系數的壩基滲流量計算結果顯示，當無防滲墻時，壩基滲流量只有0.0406m3/s，總體已經相對較小。這說明當覆蓋層滲透系數相對較小（k<1×10-5m/s）時，覆蓋層不再是大壩滲流的控制因素。分析表明，當覆蓋層的滲透系數較大時，防滲墻完全截斷覆蓋層能夠取得較好的控制滲流量的效果，而只要還有覆蓋層未被截斷，壩基將還會有較大的滲流量。因此，實際工程中，當覆蓋層滲透系數相對較大且對水量損失有較高要求時，不宜采用懸掛式垂直防滲措施。

表1 滲透穩定計算各區材料滲透系數

圖2 X=260m橫剖面水頭等值線圖（單位：%）

圖3 大壩滲流量和特征部位水力坡降與防滲墻深度關系曲線

由圖3（b）可知，防滲墻底端的最大水力坡降呈現隨防滲墻深度先減少后增加的規律。當防滲墻深為35 m時坡降達最小值，此時防滲墻深度與覆蓋層厚度之比為0.7。產生上述規律的原因可能是防滲墻較淺時，覆蓋層滲流量減少，因此覆蓋層中流速也會相應減少，隨著防滲墻的加深，滲流量減少的同時，覆蓋層總的滲流斷面也在減少，因此當防滲墻到達某一深度時，覆蓋層中的滲流速度不降反而有可能會增加。由前述分析可知，只要防滲墻未截斷覆蓋層，其控制滲流量及下游坡腳最大水力坡降的效果均不明顯。采用懸掛式防滲墻進行滲流控制時，考慮到實際工程中防滲墻底端有一部分殘渣，對于覆蓋層內的細顆粒穩定不利，不利于防滲墻的運行穩定，因此防滲墻的滲流控制效果方面，可以從防滲墻底部滲透穩定的角度來確定最優的防滲墻深度。可以得出，采用懸掛式防滲墻進行滲流控制時，防滲墻并不是越深越好，其深度取其與覆蓋層厚度之比為0.7左右時較為合理。由圖還可看出，防滲墻內的最大平均水力坡降均也隨防滲墻深度的增加而增大，當防滲墻到達相對不透水層時，防滲墻所承受的最大水力坡降達90%。因此，嚴格地把握防滲墻的設計、施工程序和質量對于整體的防滲也是非常重要的。

4 結論

本文從滲流控制的角度探討防滲墻的合理深度，采用有限元法進行三維滲流分析，對比分析水頭等值線、滲流量以及水力坡降等要素，綜合分析結果認為，當覆蓋層地基滲透系數較大時，防滲墻截斷覆蓋層能取得較好的防滲效果，若覆蓋層無法被截斷而采用懸掛式防滲墻時，其存在一個最優深度，從防滲墻滲流控制效果的角度分析，防滲墻貫入深度與覆蓋層厚度之比為0.7左右時較為合理。

[1]楊天俊.深厚覆蓋層巖組劃分及主要工程地質問題[J].水力發電，1998，（6）：17-19.

[2]白勇，柴軍瑞，曹境英等.深厚覆蓋層地基滲流場數值分析[J].巖土力學，2008，（29）：90-94.

[3]張文捷，魏迎奇，蔡紅.深厚覆蓋層垂直防滲措施效果分析[J].水利水電技術,2009,(7)∶90-93.

[4] YAN Jun. Numerical analysis of the anti-seepage measures for high earth rockfill dam on deep overburden [J]. Applied Mechanics and Matericals,2012,(170)∶1872-1877.

[5]毛昶熙.滲流計算分析與控制[M].北京：中國水利水電出版社，2003.

[6]侍克斌，袁瑩，曾祥惠.無限深透水地基上土石壩壩基垂直防滲研究[J].人民黃河，2010,(32)∶132-133.