防滲墻參數對大壩滲流穩定性影響研究

儲成洲

(安徽三洲水利建設有限公司，安徽 宿州 234000)

防滲墻是一種有效的水力大壩的防滲手段，具有施工簡便和防滲性能好的優點。既有研究主要集中于防滲墻的防滲效果及滲流規律。彭昆和馬雅麗[1]基于MIDAS數值計算方法系統的研究了不同土石壩防滲體系效果。結果表明，斜心墻+混凝土防滲系統可以有效延長滲流路徑，防滲效果最佳。韓勇[2]基于Geo-slope/seepw建立數值計算模型，系統的分析了土石壩防滲墻在不同深度下壩體內的滲流規律。結果表明，在大壩下游設置大型排水棱體，可以有效防止發生流土及管涌現象，保證壩基的穩定。涂揚舉等[3]依托四川瀑布溝水電站，建立數值計算模型，詳細的研究了瀑布溝高心墻土石壩滲流穩定性。結果表明，連接部位的水力坡降呈非線性變化，其中混凝土結構的頂部滲透坡降最大，心墻底部坡降最小。崔宏偉[4]基于數值模擬系統的研究了大壩防滲墻不同的特征參數對壩體穩定性的影響。結果表明，防滲墻厚度為0.8m，入巖深度2.0m最為經濟合理。徐喆等[5]基于有限元分析了土石壩加固前后應力變形特性。結果表明，防滲墻可以有效提高壩體的防滲效果，降低浸潤線高度，但由于設計不合理可能會導致混凝土防滲墻變形不協調，在墻底出現較大的應力集中。黃寧等[6]基于數值模擬系統的研究了土質心墻壩防滲墻頂部土體剪切帶的變形及滲流規律。結果表明，采用剪切帶計算理論可以有效模擬土體連續變形。此外，設置剪切單元后可以使的豎向應力平均值降低30%。

目前關于防滲墻的模擬多集中于單一模型的各向同性介質[7]，考慮目前研究的不足，本文建立數值計算模型，采用用多孔介質模型詳細的研究了防滲墻不同特征參數，如墻體埋深、厚度、位置及水位等因素對壩體穩定性的影響。本文的研究可以在大壩出險加固中提供參考。

1 數值模型

1.1 模型概述

本文研究的土石壩為典型土石壩，考慮數值計算效率計算效率，本文簡化壩基為二維模型，計算區域長度為壩建基面60m。簡化后的壩基臨水側和背水側最高水位分別為100和20m。大壩的壩基分為3層，第一層為透水性較差的黏土層；第二層為10m厚度的砂石強透水層，第三層為與第一層透水性相同的黏土層。模型的邊界條件為防滲墻為完全不透水層，邊界為墻體。假定河水流向為X軸，與河水流向垂直的為Y軸，如圖1所示。

圖1 大壩典型剖面圖

1.2 數值計算模型參數

根據研究內容。本文假定計算初始水位為100m臨水側，20m背水側，對應的進水口水頭邊界為98kPa。對應的出口邊界為192kPa。根據土層性質，黏土層的滲透系數取值為1×10-4m/s，壓縮系數為1×1013，孔隙率為0.35，砂土層的滲透系數取值為3.0×10-4m/s，壓縮系數為4×1013，孔隙率為0.5。此外，防滲墻的厚度、滲透系數及位置參數見表1。

表1 材滲透系數匯總

2 結果與分析

2.1 防滲墻的深度對滲流穩定性的影響

為研究防滲墻深度對滲流穩定性的影響。本文在假定深度為30m的防滲墻不變的工況下，匯總了防滲墻深度對滲流量和揚壓力的影響如圖2所示。圖2(a)表明，滲流量隨深度的變化先保持不變隨后減小，當深度分別為15、20、25、30、35和45m時，對應的滲流量比值分別為0.95、0.93、0.9、0.5和0.4。圖2(b)結果表明，當深度分別為15、20、25、30、35、和45m時，對應的揚壓力比值分別為0.58、0.56、0.51、0.23和0.19。綜合以上結果可知，當防滲墻的深度大于30m時，深度對防滲效果的影響逐漸趨于穩定。當繼續增大深度，在成本提高的同時，防滲效果提高一般。因此實際工程中30m深度的防滲墻比較合理。

圖2 防滲墻深度對滲流量和揚壓力的影響

2.2 防滲墻厚度對防滲效果的影響

為研究防滲墻厚度對滲流穩定性的影響。本文在假定深度為30m的防滲墻不變的工況下，匯總了防滲墻厚度對滲流量和揚壓力的影響如圖3所示。圖3(a)表明，滲流量隨厚度的變化先保持不變隨后減小，當厚度分別為6、8、10和12m時，對應的滲流量比值分別為0.523、0.505、0.493和0.40。圖3(b)結果表明，當深度分別為6、8、10和12m時，對應的揚壓力比值分別為0.274、0.258、0.254和0.227。綜合以上結果可知，防滲墻厚度增加對滲流量和揚壓力的變化呈波動趨勢，實際工程中應綜合工程具體情況及工程造價選取防滲墻厚度。

圖3 防滲墻厚度對滲流場和揚壓力的影響

2.3 防滲墻滲透系數對防滲效果的影響

為研究防滲墻滲透系數對滲流穩定性的影響。本文在假定深度為30m的防滲墻不變的工況下，匯總了防滲墻不同的阻力系數對滲流量和揚壓力的影響如圖4所示。圖4(a)表明，滲流量隨阻力系數的變化先保持不變隨后增大，當阻力系數分別為1×1010、2×1010、3×1010、4×1010、5×1010和6×1010時，對應的滲流量比值分別為0.5525845、0.5525846、0.52848、0.522591、0.5225925和0.5225925。圖4(b)結果表明，當阻力系數分別為1×1010、2×1010、3×1010、4×1010、5×1010和6×1010時，對應的揚壓力比值分別為0.2720565、0.272060、0.2720554、0.2720595、0.272055和0.2720525。綜合以上結果可知，當阻力系數達到10×1010時，滲流量達到最大。隨阻力系數的增大，揚壓力呈現波動趨勢。因此對于防滲墻的滲透系數選取方法中，滲流場受其影響較小，通過改變防滲墻的滲透系數提高防滲效果是不經濟的。

圖4 防滲墻阻力系數對滲流場和揚壓力的影響

2.4 防滲墻的位置對防滲效果的影響

為研究防滲墻位置對滲流穩定性的影響。本文在假定深度為30m的防滲墻不變的工況下，匯總了防滲墻位置對滲流量和揚壓力的影響如圖5所示。圖5(a)表明，滲流量隨深度的變化先增大隨后減小，當距遠點位置分別為9、15、21、27、33、和39m時，對應的滲流量比值分別為0.5215、0.5255、0.528、0.529、0.528和0.525。圖4(b)結果表明，當距遠點位置分別為9、15、21、27、33、和39m時，對應的揚壓力比值分別為0.264、0.291、0.312、0.32、0.312和0.298。綜合以上結果可知，當防滲墻的位置為距原點27m時，滲流量和揚壓力達到最大值。因此實際工程中防滲墻的設置位置應盡量靠近臨水側壩踵以降低壩基揚壓力[8]。

圖5 防滲墻深度對滲流場和揚壓力的影響

2.5 堤壩的蓄水水位

為研究提拔蓄水水位對滲流穩定性的影響。本文匯總了提拔不同蓄水位下滲流量和揚壓力的影響如圖6所示。圖6(a)表明，滲流量比值隨水位的增大而增大且兩者呈線性關系，當水位分別為100、120、140、160、180和200m時，對應的滲流量比值分別為0.51、0.61、0.76、0.90、1.0和1.14。圖4(b)結果表明，當深度分別為15、20、25、30、35、和45m時，對應的揚壓力比值分別為0.254、0.305、0.40、0.45、0.525和0.62m。綜合以上結果可知，當水位從100m增大至200m時，揚壓力的比值式中小于1，證明揚壓力滿足規范安全性要求。當水位在180m時，防滲墻失去了防滲效果。

圖6 堤壩水位對滲流場和揚壓力的影響

3 結語

本文采用數值模擬研究了混凝土防滲墻特征參數對滲流穩定性的影響，系統的分析了防滲墻高度、深度、位置及水位對滲流量比值及揚壓力比值的影響，得到如下結論。

(1)當防滲墻的深度大于30m時，深度對防滲效果的影響逐漸趨于穩定，當繼續增大深度，在成本提高的同時，防滲效果提高一般。因此30m深度的防滲墻比較合理。

(2)隨防滲墻阻力系數的增大，揚壓力呈現波動趨勢。因此對于防滲墻的滲透系數選取中，滲流場受其影響較小，通過改變防滲墻的滲透系數提高防滲效果是不經濟的。此外，防滲墻厚度選取應綜合工程具體情況選定。

(3)當防滲墻的位置為距原點27m時，滲流量和揚壓力達到最大值。因此防滲墻的設置位置應盡量靠近臨水側壩踵位置以降低壩基揚壓力。