質量缺陷對懸掛式防滲墻滲流影響的數值分析

劉　娜，何文安

(1.長春工程學院； 2.吉林省電力勘察設計院，長春 130012)

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質量缺陷對懸掛式防滲墻滲流影響的數值分析

劉娜1，何文安2

(1.長春工程學院； 2.吉林省電力勘察設計院，長春 130012)

摘要：結合工程實例應用有限元方法分析了懸掛式防滲墻質量缺陷對土石壩滲流控制效果的影響。結果表明: 懸掛式防滲墻能起到延長滲透路徑，改變滲流形態的效果。懸掛式防滲墻若出現缺陷，則對壩體滲流形態有較大影響。

關鍵詞：防滲墻；滲流；質量缺陷

1研究背景

隨著我國水利水電事業的不斷深入發展，土石壩以其安全性、經濟性及適用性好的優點，在近幾年得到了廣泛應用，其設計和施工技術已日趨成熟，但隨著壩的高度不斷增加以及壩基復雜性的增加，帶來了一系列的技術問題，眾多大壩均修建在復雜壩基之上。對于一些覆蓋層深厚的壩基，在現有的技術條件下，難以將混凝土防滲墻深入到基巖，因此形成了懸掛式防滲墻，覆蓋層不能被完全封閉。此時壩基滲漏及地基的滲透穩定是地基存在的主要問題。然而由于施工質量問題，防滲墻往往存在較多質量缺陷，主要有：墻體深度達不到設計深度、局部不均勻、墻體不連續、構成墻體的水泥土達不到一定的抗滲性能，為工程的投入使用埋下了很多隱患。基于此，本文結合某實際工程利用數值方法，分析了懸掛式防滲墻質量缺陷對壩基滲流控制效果的影響。

2計算模型和參數

2.1工程概況

該土石壩壩頂高程為1 530.50 m，最大壩高56.50 m，壩頂寬10.00 m，迎水面邊坡1︰2.5，背水面邊坡1︰1.75。壩基防滲采用懸掛式，防滲墻型式防滲墻底高程為1 430.00 m，防滲墻最大深度70.0 m，防滲墻厚0.8 m。壩體防滲采用斜墻型式，最大擋水水頭約54.0 m。壩基覆蓋層最大厚度約為75 m和67 m，自下至上由老至新分為3層：第①層為漂(塊)卵(碎)礫石層(fglQ3)，第②層為含泥漂(塊)卵(碎)砂礫石層(alQ41)，第③層為漂(塊)卵礫石(alQ42)。河床覆蓋層局部具架空現象，滲透系數K=2.0×10-2cm/s～2.0×10-1cm/s，具強透水性，且抗滲透破壞能力低，需解決好基礎滲透問題。河床底部及兩岸堰肩巖體淺表層屬微—弱透水巖體，地基抗變形能力和承載力可基本滿足工程要求。

2.2計算模型

在計算中，采用笛卡兒直角坐標系。以垂直于壩軸線的1 477.0 m高程水平線為x坐標軸，以過防滲墻的中垂線為y軸。計算區域的選擇：壩體寬246 m，壩高53.5 m；從壩背水面坡腳向下游延伸100 m，從壩底向地下延伸100 m。迎水面水位取為設計水位高程1 528.2 m。 計算模型的邊界條件如下：模型壩基底面、上下游側面及左右岸側面按不透水邊界考慮，上游庫水位以下地表邊界及上游壩面按己知水頭邊界考慮。

2.3計算參數

計算模型共涉及到10種材料，他們分別為：塊石護坡、礫石土防滲料、反濾層、石渣、戧堤、混凝土防滲墻、漂(卵)礫石、含泥漂(塊)卵(碎)砂礫石層、漂(塊)卵(碎)礫石土、基底巖體材料，對該模型進行單元劃分，整個模型共劃分節點數為19 623個，單元數為19 051個。參數取自工程實際。

2.4計算工況

為了研究墻體深度達不到設計深度對滲流場的影響，本文主要以大壩水頭分布、大壩和壩基的滲流量、特征部位的水力坡降、背水面壩坡的穩定安全系數為控制條件，擬定了以下工況：根據工程實際情況，分別計算了防滲墻深度為50 m、55 m、60 m、65 m、70 m時大壩的滲流結果。

3計算結果分析

3.1大壩水頭分布分析

從圖1和圖2可看出隨著防滲墻深度的增加，壩體內浸潤線的位置逐漸下降；等水頭線以防滲墻垂直下方為中心向一起聚攏；除防滲墻垂直下方的流線向一起收攏外，流線的總體變化趨勢不大。說明懸掛式防滲墻在貫入度較小的時候投資效果較好。隨著貫入度的增加，對于提高上游臨界水頭的貢獻并非按比例增加。所以當因防滲墻的施工質量而導致防滲墻深度有小部分的降低時，從整個堰體的水頭分布來看，影響不是很大。

圖1　防滲墻深度為50 m時的水頭分布

圖2　防滲墻深度為70 m時的水頭分布

3.2壩體和壩基滲流量分析

從圖3可以看出隨著防滲墻深度的增加，堰體和堰基的深流量都在減小，說明懸掛式防滲墻隨著深度的增加對于滲流的控制作用也在增強。如果在施工中出現質量問題，就可能引起在圍堰施工期內滲水過多，而給施工帶來很大的麻煩。

3.3特征部位的水力坡降分析

從圖4和圖5可以看出：隨著防滲墻深度的增加，圍堰下游出溢處的水力坡降值不斷降低，且水力坡降值均小于1.0，說明了防滲墻深度的變化對降低圍堰下游出溢處水力坡降有明顯作用，也就是說對減小下游坡腳處水力破壞有明顯的作用，如果由于防滲墻的施工質量問題而造成防滲墻深度減小，有可能引起水力破壞，所以一定要確保防滲墻的施工質量，以保證工程的合理性。

3.4背水面壩坡的穩定性分析

由圖6可見，隨著防滲墻深度的增加，其背水面壩坡穩定安全系數逐漸增加。防滲墻為50 m時，坡后穩定安全系數為1.177，當增加到70 m時，安全系數增加到1.256。如果防滲墻施工質量難以保證，使得防滲墻的深度降低，就有可能引起下游壩坡發生滑坡。

圖3　滲流量隨防滲墻深度變化圖

圖4　防滲墻深度為50 m時的滲流出口處水力坡降分布圖

圖5　防滲墻深度為70 m時的滲流出口處水力坡降分布圖

圖6　壩坡穩定系數隨防滲墻深度變化圖

4結語

懸掛式防滲墻并不像封閉式防滲墻那樣可以達到截滲的目的，因此，施工單位往往會認為懸掛式防滲墻深度可以隨便減小，或者由于施工質量的問題不能保證防滲墻的深度，以為這些情況不影響大壩的安全性，通過分析發現隨著防滲墻深度的增加，壩體和壩基的滲流量都會減小，同時水力坡降也會有明顯的降低，下游壩坡的穩定安全系數也會增加。所以在工程上并不能隨意改變懸掛式防滲墻的深度。

參考文獻

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The Numerical Analysis on the Influence to Seepage from Suspended Diaphragm Wall by Quality Defects

LIU Na, etc.

(ChangchunInstituteofTechnology,Changchun130012,China)

Abstract：Based on FEM and construction cases, this paper analyzes the effect of earth-rock dam seepage control from suspended diaphragm wall by quality defects. The result shows that the seepage path can be lengthened and seepage configuration can be changed by the suspended diaphragm wall. If the suspended diaphragm wall with quality defects have big impact on the seepage configuration of the dam.

Key words：diaphragm wall; seepage; quality defects

文獻標志碼：A

文章編號：1009-8984(2016)01-0068-03

中圖分類號：TV543.82

作者簡介：劉娜(1982-)，女(漢)，內蒙古，講師，工學碩士

基金項目：長春工程學院青年基金(320150005)

收稿日期：2015-07-15

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2016.01.016

主要研究巖土工程。