穿越大壩防滲墻的排污管道對防滲墻防滲特性的影響

戴志敏 中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司

防滲墻作為大壩的重要組成部分，對大壩的防滲性能具有重要的作用，防滲墻結構的破壞將改變地基的滲流特性造成變形，嚴重威脅大壩與庫區的安全。雖然目前研究涉及了大量關于防滲墻對大壩滲流特性的影響，但針對實際工程中防滲墻結構整體性破壞對其防滲特性的影響卻少有討論。

1.工程概況

污水管網的聯通聯網是目前國家發展的必要趨勢，市政污水管網項目逐漸向城鎮轉移。某縣污水管頂管項目原設計管線經過2次折線分為3段施工，3個工作井，管線總長度約280m。但受地形地質以及周邊建筑物等條件的影響，設計方案需穿越某水電站大壩的左側防滲墻。考慮到大壩防滲墻作為水利工程的重要組成部分，其結構完整性對工程的防滲效果具有重大的影響，而污水管線的施工勢必導致防滲墻結構整體性的破壞，從而對其防滲效果產生較大的影響。故在施工前有必要討論該方案對大壩滲流特性的影響。

本文根據工程資料建立三維模型，采用有限元法分析了施工前后防滲墻及其一定范圍內的地下水位變化，探明了污水管線施工對防滲墻防滲特性的影響，提出了一定的工程建議。

2.計算模型與參數

根據壩頂高程（206m）與壩底高程（178m），計算范圍選取約為壩高的4倍。考慮到污水管僅穿越大壩一側的防滲墻，且大壩左右岸對稱的結構特征，以防滲墻連接的壩肩為原點，模型向四周各取100m，最大高程215m，底部高程100m。盾構截面為1.5m的圓形，在影響范圍6m內沿于壩軸線方向選取4個截面分析（圖1a），幾何模型與地質材料分區如圖1b所示。分析采用商務軟件ABAQUS建立有限元模型。模型考慮了地貌與地質結構面，采用6面體單元與4面體單元（圖1c）。模型的上下游面分別加上下游水位，模型底面與橫河向的兩個側面為不透水邊界；計算分析采用生死單元模擬施工過程，分析采用穩態分析步。

圖1 計算范圍示意圖與模型

計算范圍內的地層滲透系數分別為：1.5×10-1cm/s（Qal+dl）、3.9×10-3cm/s（Qal+pl）、5.7×10-4cm/s（O2+3）。同時考慮到防滲墻周圍地層主要為覆蓋層，施工前先沿管線和防滲墻兩側進行了灌漿處理，以提高該區域地層的整體性，灌漿后的滲透系數為1.2×10-4cm/s。壩體與防滲墻滲透系數分別為1.1×10-9cm/s和1.2×10-8cm/s。計算分析時采用校核洪水位對應的上游水位（204.81m）與下游水位（193.07m）分析模型范圍內的穩定滲流場。

3.施工前后大壩滲流特性分析

由于計算中無法直接計算地下水位，故分析中首先將孔隙壓力轉換為水頭，以水頭為0的部位作為地下水位的分界線，并結合實際高程得到地下水位，計算結果如圖2、表1所示。

表1 施工前后各剖面滲流特性對比

3.1 施工前后防滲墻地下水位變化

圖2 表明校核水位工況下未施工前，防滲墻靠近上下游面的部位地下水位線高程分別為202.19m與201.36m；施工后防滲墻上下游面的地下水位線高程分別為203.42m與200.46m。由以上結果可知，施工前防滲墻能夠有效的降低庫水的滲漏，防滲墻上下游地下水位平均降低了1～2m；由于在施工前對污水管線穿越防滲墻部位的周邊進行了灌漿處理，施工后防滲墻仍能夠有效的降低庫水的滲漏，防滲墻上下游地下水位平均降低了2～3m。

圖2 施工前后防滲墻地下水位變化（單位：m）

3.2 施工影響范圍內地下水位變化

對比分析施工前后防滲墻與各截面的上下游地下水位可知，施工后管線穿越的局部范圍內上游水位有一定的升高，同時下游水位有一定的降低。其中，剖面4的上游地下水位提升最大，約為1.79m；剖面1的下游地下水位下降最大，約為0.83m。同時，施工后防滲墻與各截面上下游地下水位差有明顯的提高。這主要是由于在施工前，對施工局部進行了灌漿處理，提高了土體的強度降低了土體滲透系數，提升了局部的抗滲能力。雖然施工在一定程度上破壞了防滲墻結構的完整性，但局部灌漿的處理能夠有效的防止滲漏的發生。此外，雖然施工后局部區域最大滲透坡降增大至4.81，但規范規定的100，故該施工方案滿足防滲要求。

4.結論

針對某污水管線工程穿越大壩防滲墻可能帶來的防滲墻防滲特性降低的具體工程問題，采用三維有限元分析了施工前后防滲墻周圍地下水位的變化情況，主要得到了以下結論：

（1）污水管線施工后，由于局部灌漿作用提高了防滲墻周圍的土體的整體性，減小了其滲透系數，使得施工后防滲墻上游地下水位有所提升，下游地下水位有所降低，改善了防滲墻的防滲特性。

（2）雖然污水管線在施工過程中不可避免的破壞了防滲墻的結構完整性，但局部灌漿在一定程度上改善了防滲墻以及周圍受影響區域的滲流特性，局部灌漿的處理方法合理有效。

（3）三維有限元法能夠有效的分析污水管線穿越大壩防滲墻前后