深厚復雜壩基滲流分析及防治措施研究

周學雷

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

1 緒 論

土石壩滲流穩定是工程安全運行的重要基礎，土體的滲流作用力可改變壩體的應力變形，如果施加于無黏性土顆粒，力學性質改變土體瞬間失穩，若對象為黏性土顆粒，部分顆粒隨水體流動將會造成管涌[1]。當大壩下游面產生逸出時，將造成流土現象。在土石壩建設工程中，需對滲流控制標準著重研究分析，降低滲流破壞，進而保證大壩的安全穩定。

2 滲流基本原理

土壩二向滲流采用三角形單元離散滲流場，通過對線性方程組求解平方根。得滲流場離散后的線性組[2]表達式為：

(1)

當矩陣[S]=0時，恒定土體非穩定滲流公式為：

(2)

若不考慮時間因素，得穩定滲流有限單元計算表達式為：

[K]{h}={F}-[[D]{q}]

(3)

任一斷面的滲流量采用中線法[3]計算，計算公式為：

(4)

3 工程實例

3.1 工程地質

某水利樞紐壩基為深147.95m的冰磧砂礫石層，其中夾有厚18-30m粉細砂透鏡體和湖相沉積的淤泥質黏土、軟黏土層。水庫正常蓄水位位2960m，下游河道內邊界面為定水頭邊界，水位取為2886m。

壩基覆蓋層上層黏土層厚2-6.82m，埋深4-7m，孔隙比e=1.183，干密度1.26t/ m3，含水量44.1%。下層為軟黏土層厚度20m左右，埋深15m，孔隙比e=1.052，干密度1.33t/ m3，含水量34.8%。

3.2 滲流分析

3.2.1 水平鋪蓋

滲流計算采用315m、615m、915m、1515m不同長度的水平防滲鋪蓋共4種方案進行計算。其計算成果詳見圖3-1，從中可以看出：

1)鋪蓋長度為315m及615m時，壩基滲漏總量，滲透比降均不滿足要求。

2)鋪蓋長度915m，壩基滲透比降0.074，鋪蓋承受絕大部分的水頭，其余在下游損失，壩基控制滲漏標準0.36m3/s。

3)水平鋪蓋長1515m，壩基滲透比降僅為0.054，控制壩基滲漏量為0.315m3/s。

3.2.2 水平鋪蓋結合下部80m混凝土防滲墻

懸掛式垂直防滲深度按80m、100m、120m、140m四種方案考慮。計算結果表明，該方案防滲效果欠佳。當混凝土防滲墻為80m，滲漏量僅降低25.4%，底部防滲墻滲透比降為0.312。即使垂直防滲深度達到140m，壩基滲漏量為0.396m3/s，滲漏量降低55.1%，由滲流分析可得，混凝土防滲墻在防滲體系中不能滿足壩基滲透穩定標準[2]。

3.2.3 全斷面垂直防滲

在混凝土防滲墻的垂直截斷147.95m冰磧層下部設計帷幕灌漿。計算結果表明，壩基垂直防滲處理均截斷147.95m冰磧層，完全可以成功防滲。結合截斷冰磧層的三個方案計算，防滲墻滲透系數為1×10-7cm/s，帷幕的滲透系數為5×10-5cm/s和5×10-4cm/s均可滿足壩基滲透穩定標準。K=1×10-5cm/s時，帷幕承受約90%的水頭，損失1%；K=1×10-4cm/s幕體承受約80%的水頭，下游損失10%，滲流效果均較理想。

表1 二維滲流分析計算成果表

滲流計算結果詳見表1。通過比較可得到滿足允許滲透比降和允許滲流量的方案：水平鋪蓋長度為915m、1515 m的防滲方案，垂直防滲完全截斷的全部混凝土防滲墻、全帷幕及上墻下幕4種方案[3]。

圖1 不同鋪蓋長度壩基等勢線圖

圖2 不同鋪蓋長度結合80m混凝土防滲墻等勢線圖

圖3 懸掛式混凝土防滲墻等勢線圖

圖4 80m混凝土防滲墻下接帷幕灌漿等勢線圖

圖5 不同鋪蓋長度與滲漏量和滲透比降的關系曲線

圖6 垂直防滲不同深度與滲漏量和滲透比降關系曲線

圖7 不同防滲型式與壩基總滲漏量關系曲線

4 結 論

文章在土石壩滲流分析原理基礎上，通過滲流量、自由面確定的數學模型結合深厚壩基的土石壩工程，根據壩址區地質條件和特征水位進行二維滲流分析，確定滲流控制標準，提出防滲設計優化方案，計算成果表明水平鋪蓋和防滲墻下接防滲帷幕的方式能夠將壩基滲流維持在安全范圍內，水平和垂直防滲的結合截斷壩基滲漏效果顯著，驗證了該防滲設計的可行性和合理性。