深厚覆蓋層地基土石壩防滲處理研究

劉吉祥，林 超

(黑龍江省慶達(dá)水利水電工程有限公司，哈爾濱 150080)

深厚覆蓋層地基土石壩防滲處理研究

劉吉祥，林 超

(黑龍江省慶達(dá)水利水電工程有限公司，哈爾濱 150080)

深厚復(fù)雜壩基的地質(zhì)條件差，在這種地基上進(jìn)行水利工程建設(shè)面臨著巨大的壓力。修建高土石壩工程時(shí)，滲流控制和防滲處理等在壩工設(shè)計(jì)中特別重要。文章對(duì)壩基位于深厚復(fù)雜地質(zhì)區(qū)的土石壩，進(jìn)行三維滲流分析，確定最優(yōu)的防滲組合和地基處理方法，為國(guó)內(nèi)外同類工程的防滲處理提供了一定的參考價(jià)值。

深厚覆蓋層；地質(zhì)條件；土石壩；防滲處理；滲流分析

0 前 言

我國(guó)幅員遼闊，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，深厚覆蓋層地基廣泛存在我國(guó)西南地區(qū)，在這種不良地質(zhì)條件上建設(shè)水利工程問(wèn)題諸多，對(duì)于防滲體系的構(gòu)建顯得尤為重要。隨著壩工技術(shù)水平的不斷發(fā)展，現(xiàn)行比較成熟的防滲處理方式有兩種：垂直防滲和水平鋪蓋[1]。水利工程因地制宜，采取的水平鋪蓋和垂直防滲的組合特點(diǎn)要充分考慮當(dāng)?shù)氐匦巍⒌刭|(zhì)、水文條件。水平鋪蓋的基本原理是增大滲漏，這種防滲方式并不能完全滲流，只是將滲流量降低，以致達(dá)到允許范圍內(nèi)。目前組合防滲方式應(yīng)用廣泛，在國(guó)內(nèi)多個(gè)大壩上已成功應(yīng)用，其中最大壩高已達(dá)62m。鋪蓋填筑土料的允許滲流水力坡降，一般為3-10，鋪蓋長(zhǎng)度一般為4-8倍的水。垂直截滲可以有效的進(jìn)行壩基防滲，截?cái)酀B透水流，這種防滲技術(shù)目前已發(fā)展成熟，并在眾多水利工程的地基防滲處理中應(yīng)用，垂直防滲的主要方式有混凝土防滲墻和帷幕灌漿等，其中混凝土防滲墻在實(shí)際工程設(shè)計(jì)和施工應(yīng)用廣泛，因其可靠度高、安全性強(qiáng)、防滲性好等特點(diǎn)，目前相關(guān)技術(shù)已發(fā)展至行業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先水平。

1 深厚復(fù)雜壩基防滲處理基本原理

1.1 滲流分析

滲流分析是對(duì)選定壩的形式和尺寸進(jìn)行檢驗(yàn)，確保滲流作用力不影響壩體穩(wěn)定，最終確定浸潤(rùn)線的位置、坡降和滲流量。滲流分析根據(jù)達(dá)西定律和連續(xù)條件可得二維滲流分析方程為[2]：

(1)

式中：Kx、Ky分別為x，y方向的滲透系數(shù)。

滲流分析的一般分析方法有水力學(xué)法、流網(wǎng)法和有限元法。文章采用的有限元法，基本原理是將求解域分別為單元的混合結(jié)構(gòu)，求解域上流場(chǎng)函數(shù)表示為單元定義的近似函數(shù)，而近似函數(shù)是通過(guò)滲流場(chǎng)函數(shù)和求導(dǎo)插值函數(shù)扥方式來(lái)表示。

1.2 垂直防滲

垂直防滲的主要方式有混凝土防滲墻、帷幕灌漿和噴射灌漿等措施。其中混凝土防滲墻在實(shí)際工程設(shè)計(jì)和施工應(yīng)用廣泛，因其可靠度高、安全性強(qiáng)、防滲性好等特點(diǎn)，目前相關(guān)技術(shù)已發(fā)展至行業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先水平。隨著大型造孔機(jī)械的研發(fā)，施工工藝的改良，垂直結(jié)構(gòu)的防滲形式越來(lái)越受到重視，中國(guó)在這方面的技術(shù)成熟度越來(lái)越高。

1.3 水平防滲

水平鋪蓋是土石壩工程處理壩基防滲的主要形式，基本原理是增大滲漏，這種防滲方式并不能完全滲流，只是將滲流量降低，以致達(dá)到允許范圍內(nèi)。目前水平防滲方式在國(guó)內(nèi)多個(gè)土石壩工程中得到成功應(yīng)用，最大壩高已達(dá)62m。但一般在中低壩時(shí)采用鋪蓋形式。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某水利樞紐工程主要工程效益為蓄水，兼顧發(fā)電、灌溉、防洪的綜合性水利工程。水庫(kù)總庫(kù)容8.34億m3，電站總裝機(jī)170MW，年發(fā)電量4.362億kW·h。工程等級(jí)為Ⅱ等大(2)型，主要建筑物由大壩、泄洪洞、發(fā)電系統(tǒng)和電站廠房四部分組成[3]。

水庫(kù)正常高水位2963m；設(shè)計(jì)洪水位2966.40m；校核洪水位2967.80m。覆蓋層最大深度135.72m，根據(jù)顆粒組成的不同結(jié)構(gòu)，分為四層，壩基覆蓋層地質(zhì)剖面圖見圖1。

圖1土石壩壩基覆蓋層地質(zhì)剖面圖

2.2 有限元模型基本參數(shù)

壩基為深135.72m的冰磧砂礫石層，上層黏土層平均厚度4.52m，孔隙比1.173。下層為軟黏土層厚度約20m，孔隙比1.063。冰磧砂礫石層滲透系數(shù)K=1.75×10-2cm/s[4]。

基巖計(jì)算邊界選取：左、右岸強(qiáng)風(fēng)化厚度各10m，透水性4×10-4cm/s；兩岸弱風(fēng)化厚度為50m，透水性為1×10-4cm/s。

壩體及防滲土料滲透特性：壩殼砂礫石料K=1×10-2cm/s；鋪蓋土料K=1×10-5cm/s；混凝土防滲墻厚1.0m， K=1×10-7cm/s；帷幕幕體滲透系數(shù)K=5×10-5cm/s；瀝青混凝土心墻，滲透系數(shù)K=1×10-7cm/s。

2.3 計(jì)算方案

具體計(jì)算工況見表1。

表1 土石壩三維滲流計(jì)算方案

2.4 計(jì)算成果

方案1-7計(jì)算成果見表2；方案8-10計(jì)算成果見表3-4。

2.5 成果分析

成果分析包括以下5個(gè)方面：

1)無(wú)防滲措施:從表3可得出，方案1在正常蓄水位下大壩滲漏總量為1.119m3/s，壩基滲透坡降為0.55，遠(yuǎn)>允許坡降0.1(已大于臨界坡降0.31)，蓄水后大壩保持天然狀態(tài)，那么大壩壩基勢(shì)必將受到水流的滲透破壞。心墻下游逸出點(diǎn)和下游水位高程相比，差值53m，因此此壩基必須采取防滲措施。

2)水平鋪蓋防滲方案：鋪蓋總長(zhǎng)度915m，其中人工鋪蓋766m(從心墻的上游面開始計(jì)算)與圍堰相接，并在圍堰下用混凝土防滲墻將人工鋪蓋與第二層軟黏土相聯(lián)，利用了圍堰前連續(xù)分布的軟黏土層149m。大壩滲漏量為0.305m3/s。心墻上游坡腳處鋪蓋最大滲透坡降為5.05，心墻底平均坡降為0.067，下游壩基覆蓋層水平滲透坡降0.066。鋪蓋承受約78.8%的水頭，約21.2%的水頭通過(guò)下游冰磧層中損失，心墻下游逸出點(diǎn)高程和下游水位高程相比高出約17m。工況3為鋪蓋長(zhǎng)為615m的計(jì)算成果，表明壩基砂礫石層的滲透穩(wěn)定性<基本值了，壩基存在較嚴(yán)重的滲漏破壞。

3)懸掛式垂直防滲：壩基采用深100m的垂直防滲時(shí)壩基滲漏量為0.82m3/s，和方案1相比壩基滲漏量69.2%，心墻下游壩基滲透坡降值遠(yuǎn)<冰磧層滲透坡降，足以可見此方案滿足壩基滲透穩(wěn)定性的要求。即使垂直防滲貫入度設(shè)計(jì)為93.5%，滲漏量值僅是0.62m3/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)<方案1計(jì)算滲透量，滲水通過(guò)墻底滲向下游，導(dǎo)致心墻下游冰磧層滲透坡降值遠(yuǎn)<防滲底部。由滲流計(jì)算成果來(lái)看，懸掛式垂直防滲在深厚覆蓋層地基下的防滲效果不理想，最佳設(shè)計(jì)方案應(yīng)定義為全部截?cái)鄰?qiáng)透水層，這樣才能有效控制滲流量，保證壩基穩(wěn)定性。

4)方案6、7的水平鋪蓋結(jié)合混凝土防滲墻方案的計(jì)算成果表明：基于方案5的防滲效果不理想，導(dǎo)致與水平鋪蓋聯(lián)合形式滲流量沒(méi)有有效達(dá)到控制。如鋪蓋長(zhǎng)度為915m加垂直截滲100m大壩滲漏總量為0.3m3/s，此時(shí)水平鋪蓋結(jié)構(gòu)承受大部分約70%的水頭壓力，16%的水頭壓力施加給混凝土防滲墻，剩下14%壓力值向壩基底部滲透。方案7中915m水平鋪蓋和100m混凝土防滲墻組合方式心墻下游坡腳逸出點(diǎn)的水頭和不加防滲墻時(shí)相比下降程度不明顯，僅為4m，但明顯使得心墻與壩基接觸面的滲透比降得到降低。

5)全斷面垂直防滲：由表3、4看出采用防滲墻下接帷幕灌漿的組合方式能有效截?cái)鄩位鳎M(jìn)而達(dá)到滲流控制標(biāo)準(zhǔn)要求，上游庫(kù)水位不同高程時(shí)，壩體總滲漏量明顯減少，且滲流量值均<標(biāo)準(zhǔn)值，且各部位滲透比降值均<允許滲透比降，大壩此時(shí)是安全穩(wěn)定的。

表2 三維滲流計(jì)算成果

表3 壩軸線剖面各部位滲流量

表4 不同材料x方向比降和垂直比降

3 總 結(jié)

文章在深厚復(fù)雜壩基防滲處理的基本原理和方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行三維有限元滲流計(jì)算和分析，認(rèn)為壩基防滲的垂直防滲及水平鋪蓋兩種型式特點(diǎn)各異，在自身地質(zhì)特點(diǎn)基礎(chǔ)上結(jié)合不同防滲型式的方式，計(jì)算分析最佳防滲結(jié)構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，通過(guò)計(jì)算成果對(duì)比分析表明此土石壩工程的防滲設(shè)計(jì)方案是可行性的。

[1]陳海軍.河谷深厚覆蓋層工程地質(zhì)特性及評(píng)價(jià)方法[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，1996(07)：7.

[2]毛昶熙.滲流計(jì)算分析與控制[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2003：17-26.

[3]劉昌軍.水電站土石壩壩基三維滲流場(chǎng)分析及滲控措施研究[J].水利水電技術(shù)，2007，38(03)：29-32.

[4]覃新聞，龔木金，劉建發(fā)，等 .新疆下坂地水庫(kù)壩基防滲墻試驗(yàn)研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2006(04)：570-575.

StudyonAnti-seepageTreatmentforEarth-rockDambasedonDeepOverlyingStratumn

LIU Ji-xiang and LIN Chao

(Heilongjiang Provincial Qingda Water Conservancy & Hydropower Project Limited Company, Harbin 150080, China)

Deep and complex dam foundation is poor of the geology, therefore, there is enormous pressure to construct the water conservancy project on this kind of foundation. Filtration control and seepage protection treatment are especially important in dam design when building high earth-rock dam project. According to the earth-rock dam which dam foundation is located in the deep and complex geological area, three-dimensional seepage analysis was carried out to determine the optimal anti-seepage group and foundation treatment method, so as to supply references for seepage protection treatment of domestic and foreign similar projects.

deep overlying stratum; geological condition; anti-seepage measure; infiltration analysis

P642.1；TV543

B

1007-7596(2017)09-0038-03

文章編號(hào)：1007-7596(2017)09-0017-04

2017-08-16

劉吉祥(1982-)，男，山東平陰人，工程師；林超(1990-)，男，黑龍江甘南人，助理工程師。