中洲圩堤防工程黏土鋪蓋防滲作用的應(yīng)用分析

廖軍萍

(寧都縣梅江灌區(qū)水利樞紐管理中心,江西 贛州 342800)

0 引 言

水利堤防工程可采取黏土鋪蓋進行面板防滲,此類防滲措施對于水流流速小、河床開闊、沖刷較弱、壩基透水覆蓋層較厚、無強透水夾層的均質(zhì)地基均較為適用。黏土鋪蓋防滲無法截斷水流,其主要通過增加滲徑的方式降低地基滲流量及水力坡降,進而改變壓力分布,降低滲透壓力。黏土鋪蓋施工過程簡單,技術(shù)簡便;水面施工拋投快速、無需碾壓便能快速閉氣、止漏;黏土鋪蓋還具有較大柔性,與填土體、岸坡等結(jié)合快速,較好適應(yīng)壩體壩基變形。

基于此背景,文章擬采用三維飽和-非飽和滲流有限元技術(shù)構(gòu)建具體工程高面板砂礫石壩分析模型,并研究壩體浸潤線受黏土鋪蓋滲透影響程度、滲縫寬度與滲透系數(shù)的關(guān)系,為止水失效工況下面板壩防滲處理提供理論依據(jù)。

1 工程概況

中洲圩堤全長10.74km,樂平市和萬年縣境內(nèi)長度分別為6763m和3977m,其中沿左河道圩堤長度2.54km,沿右河道圩堤長度8.20km;中洲圩保護國土面積637hm2、耕地面積500hm2。該圩堤采用混凝土面板堆石壩,壩頂增設(shè)U型防浪墻,堆石壩迎水坡、背水坡坡比分別為1∶1.6和1∶1.5;全壩段共設(shè)置60條面板豎縫,且均采用硬平縫結(jié)構(gòu),縫面均勻涂刷防黏劑,縫底則設(shè)置銅止水。該圩堤面板堆石壩劃分為蓋重區(qū)、鋪蓋區(qū)、墊層區(qū)、特殊墊層區(qū)、過渡區(qū)、反濾料、堆石區(qū)、護坡及混凝土面板等。河床平趾板建基面、兩岸趾板均設(shè)置在弱風化基巖上;壩體混凝土面板為變厚度設(shè)計,頂端及底部分別厚0.5m、1.3m;壩前黏土鋪蓋也采用變厚度設(shè)計,頂端及底部厚度分別為4.1m和34.5m。

2 模型構(gòu)建

構(gòu)建順河向剖面有限元模型,展開止水性能、止水失效后壩體和壩基滲流場變化等情況的模擬分析?？紤]到河道的對稱性,在河床中心取半縫寬以及2塊面板壩段,進行壩段中央面板止水失效情況分析。以壩軸線與平面上縫中線交點為原點,上下游向為x軸,且下游向為正;壩軸線方向為y軸,左岸向為正;鉛垂方向為z軸,向上為正。在選取模型邊界時,上游取壩踵以上1倍壩高,即x=-900m;下游取壩址以下1倍壩高,即x=900m;左岸取至第2塊面板邊緣;右岸取至局部失效面板邊緣;垂直向取至防滲帷幕以下210m。

按照自動剖分方式選取控制剖面,并構(gòu)建超單元[1]。為準確模擬面板豎縫,并降低計算量,應(yīng)從面板縫開始,不斷增大y向坐標值;并以y取2.5、5.0、7.5、10.0、12.5、15.0mm等值依次表示0.5條、1.0條、1.5條、2.0條、2.5條、3.0條的面板豎縫條數(shù),對應(yīng)的面板寬度依次在2.5～32000mm、5～32000mm、7.5～32000mm、10～32000mm、12.5～32000mm、15～32000mm。

針對寬度分別為5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm的面板豎縫構(gòu)建模型,以模擬可能的滲流情形。考慮到失效豎縫失效情況復(fù)雜,滲透系數(shù)變化較大,為模擬其強透水性,將其滲透系數(shù)暫定為100cm/s。結(jié)合地勘報告及工程實際確定堤防加固工程壩體及壩基巖體滲透系數(shù)取值,具體而言,上游鋪蓋區(qū)、蓋重、墊層區(qū)、特殊墊層區(qū)、過渡區(qū)、砂礫石區(qū)、反濾料、排水區(qū)、下游堆石區(qū)、面板滲透系數(shù)分別為1.00×10-5cm/s、1.00×10-2cm/s、4.10×10-3cm/s、8.78×10-5cm/s、6.48×10-3cm/s、3.34×10-3cm/s、3.18×10-2cm/s、1.64×100cm/s、5.07×10-2cm/s、1.00×10-8cm/s;中等透水、弱透水、微透水、相對不透水基巖滲透系數(shù)依次取1.00×10-4cm/s、7.50×10-5cm/s、2.50×10-5cm/s、1.00×10-5cm/s。

3 黏土鋪蓋防滲效果

3.1 黏土鋪蓋的滲透穩(wěn)定性

水下黏土鋪蓋區(qū)所在砂礫覆蓋層受到水流作用而表現(xiàn)出的滲透破壞是引發(fā)黏土鋪蓋破壞的主要原因[2]。為此,黏土鋪蓋區(qū)覆蓋層必須具備較好的滲透穩(wěn)定性,逸出坡降不得超出允許坡降,層間滲透系數(shù)也應(yīng)符合防止發(fā)生內(nèi)外部管涌的要求。對于均質(zhì)砂礫所組成的地基,滲流沿堆石壩面板均勻分布,基本不會出現(xiàn)揚壓力明顯集中現(xiàn)象,黏土鋪蓋防滲效果較好。而對于包含強透水帶、透鏡體、不連續(xù)帶的非均質(zhì)砂礫地層,滲透水壓力會順著薄弱層間傳遞,并在背水側(cè)積蓄成較大揚壓力,引發(fā)黏土鋪蓋局部崩陷及集中滲流。

綜合以上分析,圩堤加固工程面板堆石壩黏土鋪蓋在運行過程中受到兩方面滲流的作用,一是從黏土鋪蓋頂面垂直流經(jīng)下部覆蓋層后匯入下游;二是從黏土鋪蓋前端流入覆蓋層。

3.1.1 垂直向滲透穩(wěn)定

黏土鋪蓋垂直向滲流運動引發(fā)的結(jié)構(gòu)體滲流變形形式受土料屬性和密實度的影響較大。黏土塊之間存在架空結(jié)構(gòu),難崩解,滲流也多表現(xiàn)為管流,以管道沖刷為主要破壞形式。此后隨著含水量的增大,逐漸軟化密實,進而表現(xiàn)為局部流土和沖刷的混合破壞形式[3]。

3.1.2 與壩基接觸面間的滲透穩(wěn)定

該圩堤加固工程黏土鋪蓋布置在截流粗化的覆蓋層上,與砂礫地基緊密接觸。在順黏土鋪蓋底面和壩基接觸面間的水平滲流對鋪蓋造成接觸沖刷時,砂礫石內(nèi)的細土粒最先受到滲流的影響并啟動;隨滲流比降的持續(xù)提升,黏土鋪蓋底部隨即遭到?jīng)_刷影響,土體顆粒持續(xù)流失,最終造成鋪蓋穿孔,流土過程也隨之結(jié)束。分散性較好的黏土進入砂礫層空隙后起到淤積粗化作用,地基空隙直徑持續(xù)減小,對此類破壞起到一定的抵御效果。

3.2 對壩體滲流場的影響

假定100m壩高高程以下接縫全長失效,則通過分析壩體豎縫止水失效前后典型斷面滲流場可以看出,豎縫止水失效前,墊層后壩體浸潤線最大高程取2701.20m,且浸潤線變化平緩,坡降均值為170.21m,墊層區(qū)及主砂礫堆石區(qū)坡降均值分別為0.0491和0.0540。豎縫止水失效后,墊層后壩體浸潤線最大高程取2709.14m,坡降均值為154.30m,墊層區(qū)及主砂礫堆石區(qū)坡降均值分別為0.2347和0.0910?？紤]到面板豎縫前黏土鋪蓋具有較小的滲透系數(shù),失效豎縫周圍的等勢線也逐漸集中至面板前的鋪蓋內(nèi)。根據(jù)豎縫止水失效后鋪蓋內(nèi)等勢線分布的集中程度判斷,豎縫止水失效后黏土鋪蓋坡降呈增大趨勢,但并未超出允許范圍;止水失效前豎縫處壩體及壩基單寬滲流量均為1.74m2/d,失效后單寬流量增大至10.76m2/d。充分說明,豎縫止水失效過程中黏土鋪蓋起到了一定防滲作用,但因防滲效果劣于面板,造成豎縫處滲流量明顯增大的趨勢。

3.3 黏土鋪蓋滲透系數(shù)敏感性

假定100m壩高高程以下接縫止水全長失效,則通過分析接縫寬度為5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm時黏土鋪蓋滲透系數(shù)和墊層后壩體浸潤線高程的關(guān)系取值(表1)可以看出,在壩體豎縫止水失效后,因相應(yīng)位置的黏土鋪蓋代替面板發(fā)揮了主要的防滲作用,故壩體浸潤線受到黏土鋪蓋滲透系數(shù)變化的影響較大;隨著黏土鋪蓋滲透系數(shù)值的增大,其阻隔滲水的能力持續(xù)減弱,浸潤線最終升高至止水失效豎縫的頂端,而后增速減緩,整體表現(xiàn)為二次拋物線形狀;以上變化趨勢說明,當?shù)谭兰庸坦こ痰虊蚊姘遑Q縫止水失效后,黏土鋪蓋滲透系數(shù)取值及阻滲性能便成為整個堤壩防滲體系的關(guān)鍵[4]。

表1 黏土鋪蓋滲透系數(shù)與墊層后壩體浸潤線高程

當黏土鋪蓋滲透系數(shù)取定值的情況下,隨著豎縫寬度的增大,壩體典型斷面浸潤線呈升高趨勢,但因受到豎縫止水失效長度的制約,升幅不大;浸潤線最終均抬升至豎縫頂部區(qū)域。失效豎縫寬度對壩體浸潤線的影響程度明顯小于黏土鋪蓋滲透系數(shù)的影響程度。

因受到豎縫止水失效的影響而造成浸潤線波動時,為保持壩體和壩基滲流穩(wěn)定,也就是在豎縫寬度既定時使黏土鋪蓋滲透系數(shù)取最小值,可暫不對失效豎縫止水結(jié)構(gòu)實施修補。100m壩高高程以下豎縫全長失效后,如果壩體浸潤線高程滲流量符合滲透穩(wěn)定要求,則可得出黏土鋪蓋滲透系數(shù)和面板失效縫寬之間的關(guān)系,具體見表2。

表2 黏土鋪蓋滲透系數(shù)和面板失效縫寬

根據(jù)表中結(jié)果,隨著失效豎縫寬度的增大,在面板浸潤線及滲流量不變的情況下,壩前黏土鋪蓋滲透系數(shù)呈減小趨勢;這種情況下如果面板豎縫止水失效,則可暫不修補。據(jù)此可以判斷,因受到強震等外界原因或壩體自身材料、施工質(zhì)量等內(nèi)部原因的影響,面板豎縫止水開裂,則在豎縫高度既定的情況下,只需采取恰當措施保證黏土鋪蓋滲透系數(shù)達到《混凝土面板堆石壩設(shè)計規(guī)范》(SL 228-2013)及工程設(shè)計要求,無需展開專項防滲修補,便可保證面板壩正常運行。

4 結(jié) 論

綜上所述,在圩堤加固工程混凝土面板堆石壩豎縫止水失效后,黏土鋪蓋能發(fā)揮較好的防滲作用,且黏土鋪蓋滲透系數(shù)變化對壩體浸潤線高程的影響程度比豎縫寬度更大。在面板堆石壩設(shè)計時,必須嚴格控制黏土鋪蓋滲透系數(shù)取值范圍,以降低強震等因素造成壩體面板豎縫失效而增大防滲修復(fù)任務(wù)量。限于篇幅,文章僅展開了豎縫止水失效寬度及黏土鋪蓋滲透系數(shù)對鋪蓋防滲效果影響的分析,為全面評價黏土鋪蓋防滲效果,還必須研究其對墊層料、水平縫失效的影響程度。