防滲墻施工缺陷對(duì)土石壩滲流與穩(wěn)定的影響分析

周清勇 劉智 洪文浩 熊磊

摘要：防滲墻作為土石壩的重要隱蔽工程，其施工質(zhì)量直接影響防滲墻的功效，關(guān)乎大壩運(yùn)行安全。結(jié)合工程案例，采用有限元法分析了防滲墻不同施工缺陷對(duì)大壩滲流穩(wěn)定的影響，如防滲墻存在初始裂縫、材料滲透系數(shù)不足和墻體懸掛深度不夠等。分析結(jié)果表明：當(dāng)防滲墻潛在裂縫位于壩體土層或強(qiáng)風(fēng)化層時(shí)，結(jié)構(gòu)可能發(fā)生局部滲透破壞或整體壩坡失穩(wěn);當(dāng)防滲墻滲透系數(shù)與壩體土層的防滲系數(shù)相近時(shí)，大壩抗滑安全系數(shù)小于允許值，壩體浸潤(rùn)線偏高將影響結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定;當(dāng)防滲墻懸掛深度僅到強(qiáng)風(fēng)化層時(shí)，壩底滲流路徑縮短，滲流量增大導(dǎo)致大壩抗滑安全系數(shù)偏小，不滿足結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定要求。因此，在實(shí)際工程中，應(yīng)嚴(yán)控施工工藝，防止防滲墻出現(xiàn)質(zhì)量缺陷，從而保障大壩安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：防滲墻缺陷;有限元法;初始裂縫;滲透系數(shù);墻體懸掛深度;滲流穩(wěn)定;土石壩

中圖法分類(lèi)號(hào)：TV543.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.05.005

1 研究背景

混凝土防滲墻作為土石壩工程防滲體系的關(guān)鍵組成部分，在工程的除險(xiǎn)加固中應(yīng)用極為廣泛[1]，其材料質(zhì)量和施工工藝直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的滲流穩(wěn)定性能，進(jìn)而影響工程的運(yùn)行安全。由于防滲墻屬于地下隱蔽工程，通常深?yuàn)A于壩體或覆蓋層之下，施工時(shí)長(zhǎng)期處于水下澆筑狀態(tài)，施工工藝復(fù)雜，因此施工質(zhì)量通常難以得到保障，墻體部位極易出現(xiàn)施工缺陷，例如墻體存在潛在的初始裂縫、墻體材料滲透系數(shù)難以達(dá)標(biāo)、局部懸掛深度不足、墻體厚薄不均等現(xiàn)象。盛金昌等[2]通過(guò)分析混凝土防滲墻開(kāi)裂對(duì)某大壩壩基土體滲透穩(wěn)定性的影響，總結(jié)了防滲墻裂縫寬度和條數(shù)對(duì)壩基滲透穩(wěn)定性的影響。李少明[3]采用有限元分析防滲墻的質(zhì)量缺陷出現(xiàn)的位置對(duì)大壩滲流影響。段芳[4]對(duì)不同水位情況下有無(wú)防滲墻缺陷的壩體進(jìn)行有限元數(shù)值模擬。李宏恩等[5]利用降低材料彈性模量對(duì)防滲墻的施工缺陷進(jìn)行了應(yīng)力變形的影響數(shù)值模擬。黃辰杰等[6]以室內(nèi)砂槽模型試驗(yàn)為背景模擬懸掛式防滲墻的貫人深度對(duì)滲透變形的影響。劉娜等[71結(jié)合某工程實(shí)例分析了懸掛式防滲墻質(zhì)量缺陷對(duì)土石壩滲流控制效果的影響，得出了懸掛式防滲墻若出現(xiàn)缺陷對(duì)壩體滲流形態(tài)有較大影響的結(jié)論。

國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)防滲墻出現(xiàn)裂縫及處理分析做了一定的研究[8-11]，但有關(guān)施工缺陷對(duì)大壩滲流控制的影響研究相對(duì)較少。本文結(jié)合工程實(shí)際案例，基于飽和一非飽和滲流理論，采用有限元法分析不同防滲墻施工缺陷對(duì)大壩滲流控制的影響，并總結(jié)防滲墻存在初始裂縫、材料滲透系數(shù)不足和墻體懸掛深度不夠等不同缺陷時(shí)大壩滲流與穩(wěn)定的性態(tài)變化規(guī)律。采用極限平衡上限解分析，該有限元法軟件是由加拿大巖土軟件開(kāi)發(fā)商GEO-SLOPE公司面向巖土、水利、交通、地質(zhì)、環(huán)境工程等領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的一套仿真分析軟件。

2 工程及試驗(yàn)基本情況

2.1 工程概況

水庫(kù)位于江西省樂(lè)安河支流車(chē)溪水中游，屬鄱陽(yáng)湖水系饒河流域，壩址以上控制流域面積155 km2，正常蓄水位64.40 m，多年平均庫(kù)水位60.98 m，總庫(kù)容1.437億m3，是一座以灌溉、供水為主，兼顧防洪、發(fā)電等綜合效益的大（2）型水庫(kù)。大壩為黏土斜墻壩，壩頂高程71.10 m，壩頂長(zhǎng)492.00 m，壩頂寬10.00 m，最大壩高34.20 m。大壩除險(xiǎn)加固前，據(jù)工程地勘資料可知，壩體填土結(jié)構(gòu)較疏松，屬中等偏高壓縮性土，滲透性較強(qiáng);斜墻土滲透系數(shù)不能滿足規(guī)范要求，其土體結(jié)構(gòu)較疏松，抗剪強(qiáng)度偏低;壩基覆蓋層的主壩河床段及左岸清基較好，右岸清基質(zhì)量稍差;除險(xiǎn)加固時(shí)對(duì)大壩壩身采用混凝土防滲心墻處理。因工程為大型水庫(kù)，對(duì)大壩混凝土防滲心墻成墻施工質(zhì)量控制要求嚴(yán)格，即嚴(yán)控施工工藝，防止出現(xiàn)施工質(zhì)量缺陷。

2.2 有限元模型與材料參數(shù)

大壩典型斷面有限元模型由四邊形單元和三角形單元構(gòu)成，所建模型共劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)5 074個(gè)，單元數(shù)4 915個(gè)，有限元模型示意見(jiàn)圖1。計(jì)算模型共設(shè)7個(gè)材料分區(qū)（K1-K7），根據(jù)地勘資料及工程經(jīng)驗(yàn)，各分區(qū)土體材料參數(shù)取值見(jiàn)表1。

2.3 防滲墻無(wú)缺陷時(shí)滲流穩(wěn)定性能

當(dāng)工程處于常水位工況下，且防滲心墻的墻體無(wú)質(zhì)量缺陷時(shí)，結(jié)構(gòu)滲流穩(wěn)定分析的流網(wǎng)圖見(jiàn)圖2。壩體等勢(shì)線主要集中于防滲墻內(nèi)，其滲透坡降降幅明顯，位勢(shì)下降了50%。分析結(jié)果顯示：黏土斜墻的滲透坡降為0.124，小于允許坡降0.91;防滲墻滲透坡降為29.51，小于允許坡降60;壩體最大滲透坡降為0.165，小于允許坡降0.25。計(jì)算可得，常水位工況下大壩最小安全系數(shù)1.772，相比允許值1.35保有足夠裕度。相比類(lèi)似工程，滲流量控制較好，最近一次加固后大壩滲流穩(wěn)定狀況安全，大壩運(yùn)行穩(wěn)定。

3 防滲墻施工缺陷影響分析

3.1 防滲墻初始裂縫位置

當(dāng)混凝土防滲墻存在初始裂縫時(shí)，將影響該區(qū)域局部孔隙的滲透性能，從而影響孔隙水壓力的分布，導(dǎo)致裂縫進(jìn)一步加劇[2-13]。本文將初始裂縫做簡(jiǎn)化處理分析，假設(shè)墻體內(nèi)部存在一個(gè)孔洞替代不均勻分布的初始裂縫，孔洞根據(jù)文獻(xiàn)[2-3]取0.10 m，孔洞選取計(jì)算斷面下的一孔且單寬0.10 m作為初始值分析，其滲透系數(shù)與所在分區(qū)的土體材料滲透系數(shù)相同。工程中與防滲墻墻體接觸的土層主要包括壩體土層、壩基覆蓋層和強(qiáng)風(fēng)化層及弱風(fēng)化層，其中弱風(fēng)化層滲透系數(shù)較小，弱風(fēng)化帶以下則為不透水層。如圖3所示，假定裂縫位置在壩體土層常水位浸潤(rùn)線以下（高程54.00 m）、壩基覆蓋層中間（高程40.00 m）和強(qiáng)風(fēng)化層中間（高程29.00m），總結(jié)分析不同高層墻體出現(xiàn)缺陷時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)整體滲流穩(wěn)定的影響，分析結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2及圖3可知：①防滲墻初始裂縫位于壩體土層（高程54.00 m）時(shí)，墻體滲透坡降出現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì)，壩體最大滲透坡降接近允許坡降值，壩體易發(fā)生滲透破壞，無(wú)法保障結(jié)構(gòu)的滲流穩(wěn)定;但大壩壩體內(nèi)滲流路徑較長(zhǎng)，滲流量未見(jiàn)明顯增大。②防滲墻裂縫位于壩基覆蓋層（高程40.00 m）時(shí)，壩體滲透坡降、滲流路徑、滲流量及大壩安全系數(shù)等均與防滲墻無(wú)裂縫情況下計(jì)算值一致。③防滲墻裂縫位于強(qiáng)風(fēng)化層（高程29.00 m）時(shí)，因強(qiáng)風(fēng)化層滲透系數(shù)較大，導(dǎo)致大壩最小安全系數(shù)偏低，滲流量偏大，壩體浸潤(rùn)線的出逸點(diǎn)偏高，對(duì)壩坡整體穩(wěn)定不利。

綜上分析，防滲墻初始裂縫位于壩體土層時(shí)，壩體易發(fā)生滲透破壞;位于強(qiáng)風(fēng)化層時(shí)，壩體浸潤(rùn)線的出逸點(diǎn)偏高，滲流量增大，大壩最小安全系數(shù)偏低，對(duì)大壩整體穩(wěn)定不利。因而需重視在透水性大的土層內(nèi)成墻施工。

3.2 防滲墻滲透系數(shù)變化

滲透系數(shù)對(duì)土石壩的滲流穩(wěn)定起到關(guān)鍵性作用[14-15]。本文分析大壩加固按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)成墻，大壩滲流狀況安全且大壩運(yùn)行穩(wěn)定。若假定大壩成墻時(shí)滲透系數(shù)出現(xiàn)偏差，即考慮滲透系數(shù)為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值10倍、20倍、與斜墻或壩體滲透系數(shù)相近3種情況，則大壩的滲流穩(wěn)定性態(tài)出現(xiàn)明顯的變化。防滲墻滲透系數(shù)在不同情況下的變化見(jiàn)圖4，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3及圖4可知：大壩壩體滲透坡降隨滲透系數(shù)的增大而增大，滲流量逐步增大，最小安全系數(shù)隨之降低;當(dāng)防滲墻滲透系數(shù)與壩體土層滲透系數(shù)相同時(shí)，防滲墻不具有防滲效果，大壩極可能發(fā)生滲透破壞，抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)小于允許值，與加固前大壩存在的問(wèn)題相符。因而不可隨意改變防滲墻滲透系數(shù)的設(shè)計(jì)值。

3.3 防滲墻懸掛深度變化

根據(jù)大壩工程經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)文獻(xiàn)可知，防滲墻墻體設(shè)計(jì)深度一般應(yīng)深入弱風(fēng)化層以下0.5m，才能起到良好的截滲效果[16-18]。大壩實(shí)際施工過(guò)程中，因施工工藝原因防滲墻墻體深度可能局部達(dá)不到設(shè)計(jì)值。若假定防滲墻深度僅深入強(qiáng)風(fēng)化層以下3m，則有限元分析成果見(jiàn)圖5，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4及圖5可知：大壩壩體滲透坡降隨防滲墻懸掛深度的減少而降低，壩體內(nèi)防滲墻后的浸潤(rùn)線出逸點(diǎn)偏高，壩底滲流路徑縮短，滲流量增大，最小安全系數(shù)降低，對(duì)大壩整體滲流穩(wěn)定不利。這是因?yàn)槌蓧ι钊霃?qiáng)風(fēng)化層以下3m時(shí)未能將滲流路徑完全切斷，土層滲透系數(shù)偏大。參建各方應(yīng)嚴(yán)控防滲墻懸掛深度的施工質(zhì)量。

4 結(jié)論

（1）防滲墻初始裂縫位于壩體土層時(shí)，大壩結(jié)構(gòu)易發(fā)生滲透破壞;位于強(qiáng)風(fēng)化層時(shí)，壩體浸潤(rùn)線的出逸點(diǎn)偏高，大壩最小安全系數(shù)偏低，對(duì)大壩整體滲流穩(wěn)定不利。因而需重視在透水性大的土層內(nèi)成墻施工。

（2）大壩壩體滲透坡降隨滲透系數(shù)增大而增大，滲流量逐步增大，最小安全系數(shù)隨之降低;當(dāng)防滲墻滲透系數(shù)與壩體土層滲透系數(shù)相同時(shí)，大壩極可能發(fā)生滲透破壞，與加固前大壩存在的問(wèn)題相符。因而不可隨意改變防滲墻滲透系數(shù)的設(shè)計(jì)值。

（3）防滲墻懸掛深度僅施工至強(qiáng)風(fēng)化層，壩體浸潤(rùn)線出逸點(diǎn)偏高，壩底滲流路徑縮短，滲流量偏大，最小安全系數(shù)偏小，不滿足結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定要求。參建各方應(yīng)嚴(yán)控防滲墻懸掛深度的施工質(zhì)量。

（4）防滲墻作為土石壩工程防滲體系的關(guān)鍵組成部分，在實(shí)際工程施工中，應(yīng)嚴(yán)格控制好防滲墻的施工工藝及質(zhì)量，保證大壩結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，保障大壩的安全運(yùn)行。

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（編輯：李曉濛）

基金項(xiàng)目：江西省水利廳科技項(xiàng)目（ 201921YBKT16）

作者簡(jiǎn)介：周清勇，男，工程師，主要研究方向?yàn)樗そY(jié)構(gòu)。E-mail：13479173663@163.com