多元結(jié)構(gòu)壩基雙排防滲墻控滲效果試驗(yàn)研究

王正成，毛海濤,2，彭鈺潔，申紀(jì)偉，吳恒濱

(1.重慶三峽學(xué)院 土木工程學(xué)院，重慶 404100；2.武漢大學(xué) 水利水電學(xué)院， 武漢 430072；3.貴州建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑設(shè)備學(xué)院,貴陽(yáng) 551400)

在中國(guó)西南地區(qū)的水電工程開發(fā)中常遇到深厚覆蓋層地基，地基中往往同時(shí)存在強(qiáng)透水層(漂石、砂卵礫石、砂類土)和弱透水層(黏土、粉質(zhì)黏土)，兩種土層交替分布[1-2]。受水資源開發(fā)條件等因素的限制，部分水電工程被迫建在深厚覆蓋層地基上[3-4]。由于混凝土防滲墻具有強(qiáng)度高、成型快、耐久性好、滲透系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于深厚覆蓋層地基的防滲工程中，其深度從20世紀(jì)60年代的20 m已經(jīng)發(fā)展到目前的140 m以上[5-10]。

但部分地質(zhì)條件復(fù)雜、高水頭的水利工程，由于壩高的發(fā)展和允許滲流梯度的限制，一道防滲墻難以滿足滲控要求，越來(lái)越多的水利工程采用雙排防滲墻，如瀑布溝水電站[11]、三峽工程二期圍堰、加拿大馬尼克3號(hào)壩[12]、六庫(kù)水電站、長(zhǎng)河壩、九甸峽混凝土面板堆石壩。學(xué)者們針對(duì)雙排防滲墻展開研究，邱祖林等[13]借助三維非線性有限元軟件分析了軟弱覆蓋層地基中雙排混凝土防滲墻的應(yīng)力變形特性。吳夢(mèng)喜等[14]從滲透坡降及變形的角度，針對(duì)瀑布溝水電站心墻堆石壩雙排混凝土防滲墻與土質(zhì)心墻幾種連接方案進(jìn)行了研究。郭成謙[15]針對(duì)雙排防滲墻滲流的水力學(xué)特性進(jìn)行了分析，并提出防滲墻的滲透系數(shù)對(duì)控滲效果的影響。高蓮士等[16]針對(duì)三峽工程二期圍堰進(jìn)行了非線性應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算。路曉婷[17]利用Midas GTS分析瀑布溝電站雙排防滲墻對(duì)滲流、應(yīng)力和位移的影響。劉麟[18]采用有限元軟件分析了云南省怒江州六庫(kù)水電站的雙排防滲墻的內(nèi)力、應(yīng)力分布和變形。顏國(guó)卿[19]分析了大渡河長(zhǎng)河壩雙排防滲墻的應(yīng)力、應(yīng)變及變形。呂生璽[20]基于有限元模型分析了九甸峽混凝土面板堆石壩采用單排防滲墻柔性連接、雙排防滲墻柔性連接、雙排防滲墻剛性連接3個(gè)方案下防滲墻的應(yīng)力及變形。

學(xué)者們主要利用有限元軟件分析了雙排防滲墻的應(yīng)力、應(yīng)變和位移，以及防滲墻與土質(zhì)心墻、壩體及壩基的連接形式；在滲流控制方面，分析了防滲墻的滲透系數(shù)及連接形式對(duì)控滲效果的影響，并未涉及雙排防滲墻的深度、間距、布置形式對(duì)控滲效果影響等方面的研究。有學(xué)者甚至提出雙排防滲墻間會(huì)產(chǎn)生較大的滲流梯度，使下游防滲墻失去應(yīng)有的防滲作用，沒有必要采用雙排防滲墻。隨著深厚覆蓋層上高壩的建設(shè)，雙排防滲墻的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，因此，雙排防滲墻的深度、間距及布置形式對(duì)滲流場(chǎng)的影響規(guī)律急需探明。

本文以典型強(qiáng)弱互層深厚覆蓋層地基為研究對(duì)象，設(shè)置不同的雙排防滲墻控滲方案，開展?jié)B流砂槽試驗(yàn)，探索雙排防滲墻的間距、深度、布置形式(前長(zhǎng)后短、前短后長(zhǎng)、前后同長(zhǎng))對(duì)滲流的影響，探明雙排防滲墻的控滲效果，以期為采用雙排防滲墻控滲的工程提供理論支撐，在防滲墻深度一定的情況下提高控滲效率。

1 材料與方法

中國(guó)西南地區(qū)深厚覆蓋層地基具有明顯的層狀結(jié)構(gòu)[21]，強(qiáng)弱透水層交替分布，土層的厚度及基本特征如表1所示。

1.1 材料特性

基于表1中的典型剖面，建立深厚覆蓋層壩基砂槽模型。試驗(yàn)材料：砂土和黏土分別作為強(qiáng)透水材料和弱透水層材料，土工布作為垂直防滲墻。土體均取自長(zhǎng)江堤防重慶萬(wàn)州段左岸，黏土和砂土各3份，經(jīng)風(fēng)干、分散后進(jìn)行室內(nèi)篩分試驗(yàn)，土體的顆粒級(jí)配曲線[22-23]如圖1所示。

表1 土層厚度及基本特征Table 1 Soil thickness and basic characteristics

圖1 試驗(yàn)土的顆粒級(jí)配曲線Fig.1 The grading curves of trial

借助液、塑限聯(lián)合測(cè)定儀獲取土樣的液、塑限值，通過烘干法測(cè)得土體的含水率w、干密度ρd，基于常水頭法測(cè)得土體的滲透系數(shù)，將土體的基本參數(shù)列入表2。

由表2可知，砂土層的滲透系數(shù)(3.28×10-3cm/s)為黏土(2.57×10-5cm/s)的127.63倍，黏土可視為相對(duì)弱透水層，以下簡(jiǎn)稱弱透水層。砂土和黏土的滲透性能較好模擬強(qiáng)弱互層地基的滲流特性，具有代表性，且符合水工試驗(yàn)?zāi)M標(biāo)準(zhǔn)。

表2 砂土和黏土的基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of sand and clay

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)裝置 砂槽尺寸為200 cm×100 cm×130 cm。根據(jù)西南地區(qū)強(qiáng)弱互層深厚覆蓋層地基的典型斷面，結(jié)合砂槽的實(shí)際尺寸設(shè)置試驗(yàn)，如圖2所示。土體自上而下分別為：砂土、黏土、砂土、黏土、砂土、黏土，厚度分別為17、20、20、20、15、18 cm，模型比尺為1∶100。設(shè)置壩基時(shí)，保證土體充分固結(jié)沉降；壩體填筑過程中參照《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行分層壓實(shí)。大壩高20 cm，壩頂寬5 cm，上下游壩坡均取1∶2，壩軸線距上游砂槽端部100.5 cm，距下游砂槽端部99.5 cm，集水池的尺寸為63 cm×50 cm×53 cm。試驗(yàn)中上下游水頭差為定值，壩基和防滲墻在消殺水頭方面能體現(xiàn)出規(guī)律，下游段設(shè)置長(zhǎng)度符合要求。

圖2 砂槽模型試驗(yàn)布置圖Fig.2 Arrangement plan of sandbox model

砂槽中布置87個(gè)多孔進(jìn)水型鋁管測(cè)壓計(jì)，并與測(cè)壓管相連接，得出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力值[24]。上游水頭h=16 cm，下游水頭h2=0 cm；由于滲流量較小，3個(gè)出水口能保證下游水頭為0 cm。根據(jù)地層的分布特點(diǎn)，防滲墻主要目的在于截?cái)鄰?qiáng)透水層，嵌入弱透水層，形成半封閉式防滲墻，具有較好的隔水效果[25]；防滲墻的模型比尺為1∶100，設(shè)置深度分別為19、59、94 cm，如圖2所示。1、2號(hào)防滲墻的深度分別為S1、S2，為研究防滲墻的布置形式及深度對(duì)滲流場(chǎng)的影響，共設(shè)置7種工況如表3所示。防滲墻的間距L=2～30 cm，每2 cm取一值，共計(jì)11種。

表3 雙排防滲墻的布置形式Table 3 Arrangement form of two cut-off walls

各工況下，防滲墻底端皆嵌入弱透水層2 cm，頂端嵌入壩體2 cm。壩體為均質(zhì)土壩，材料為黏土。水位調(diào)節(jié)管和進(jìn)水管共同調(diào)控上游水位，始終保持上游水位恒定。砂槽下游末端設(shè)置了3個(gè)出水孔，高程與建基面一致，皆為100 cm。測(cè)壓管中滴入紅色試劑，便于精確讀數(shù)。用紗布包裹多孔進(jìn)水型鋁管測(cè)壓計(jì)，防止進(jìn)水孔被堵塞。

1.2.2 試驗(yàn)步驟

1)布置雙排垂直防滲體。垂直防滲體采用土工膜，借助木條和鋼釘將土工膜固定在砂槽側(cè)壁，并用橡皮泥堵塞縫隙，防止接縫處滲漏及側(cè)滲。

2)壩基、壩體填筑及測(cè)壓計(jì)的安裝。壩體填筑通過干密度、土料含水率控制，分層壓實(shí)；填筑過程中，在87個(gè)測(cè)壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝多孔進(jìn)水型鋁管測(cè)壓計(jì)。

3)蓄水及測(cè)壓管排氣。打開進(jìn)水閥蓄水，排凈測(cè)壓管中的氣體。

4)上下游水位調(diào)節(jié)。水位調(diào)節(jié)管與進(jìn)水管共同調(diào)控壩前水位至116 cm，排水管調(diào)控壩后水位至100 cm。

6)改變防滲墻的間距L(2～30 cm)，重復(fù)步驟1)～5)。

7)改變防滲墻的布置形式(前長(zhǎng)后短、前短后長(zhǎng)、前后同長(zhǎng))，重復(fù)步驟1)～6)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 滲流量分析

2.1.1 總滲流量Q為了更清楚地揭示各工況下總滲流量Q(下文簡(jiǎn)稱滲流量)隨防滲墻的間距L的變化規(guī)律，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果作滲流量Q的變化曲線，如圖3所示。

圖3 滲流量隨防滲墻間距的變化曲線Fig.3 The curves of seepage discharge changing with spacing of double cut-off

由圖3可知，各工況下滲流量均隨著間距的增加而降低。對(duì)比各曲線不難發(fā)現(xiàn)，曲線1、2、4、5、7的斜率dQ/dL較大，曲線3、6的斜率dQ/dL較小。當(dāng)間距由3 cm增大至30 cm時(shí)，工況①～⑦對(duì)應(yīng)的滲流量分別降低24.75%、21.65%、8.9%、31.24%、31.95%、10.12%、44.14%；由此可見，工況③、工況⑥(前短后長(zhǎng))對(duì)應(yīng)的滲流量降低量ΔQ明顯低于其他工況。工況⑦(前后同長(zhǎng))下L=30 cm對(duì)應(yīng)的滲流量最小3.714 7×10-6m3/s。

總的滲流量包括壩體和壩基滲流量，在防滲墻深度較大時(shí)，會(huì)有更多的水體通過壩體滲向下游。因此，為了更清楚地反映出雙排防滲墻對(duì)壩體和壩基滲流的影響，將進(jìn)一步分析壩體和壩基滲流量的變化規(guī)律。

通過試驗(yàn)，繪制各工況下的流網(wǎng)圖，各工況下流網(wǎng)圖的繪制方法及步驟一致，以工況①(L=30 cm)為例，如圖4所示。

圖4 流網(wǎng)圖

流網(wǎng)法計(jì)算滲流量的表達(dá)式[26]為

(1)

式中:H為上下游水頭差，cm；k為土體滲透系數(shù)，cm/s；n為沿垂直流動(dòng)方向的網(wǎng)格數(shù)；N為沿流動(dòng)方向的網(wǎng)格數(shù)。基于圖4和式(1)計(jì)算得出壩體滲流量Q1和壩基滲流量Q2。

2.1.2 壩體滲流量Q1為了分析雙排防滲墻間距及布置形式對(duì)壩體滲流量的影響，作壩體滲流量變化曲線如圖5所示。

圖5 壩體滲流量隨防滲墻間距的變化曲線Fig.5 The curves of seepage discharge of dam changing with spacing of double cut-off

由圖5可知，各曲線的變化規(guī)律類似，近似于正態(tài)分布，曲線1、2、4、5、7和曲線3、6分別以間距L=13.2 cm和L=16.5 cm為界，在該點(diǎn)達(dá)到最大值，左側(cè)隨間距增加而增大，右側(cè)隨間距增加而減小。此外，曲線1、2、4、5、7對(duì)應(yīng)的壩體滲流量降低至最小值時(shí)間距L=30 cm，而曲線3、6在間距L=3 cm時(shí)壩體滲流量最小。

對(duì)比曲線不難發(fā)現(xiàn)，工況③在間距L=3 cm時(shí)對(duì)應(yīng)的壩體滲流量最小為6.517 1×10-7m3/s；工況⑦在間距L=13.2 cm時(shí)對(duì)應(yīng)的壩體滲流量最大2.9×10-6m3/s。其原因在于雙排防滲墻都嵌入弱透水層，形成封閉的隔水空間，水體不易通過壩基滲向下游，壩體成為了滲流優(yōu)先通道。

2.1.3 壩基滲流量Q2在分析了總滲流量Q和壩體滲流量Q1的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析壩基滲流量Q2，作壩基滲流量變化曲線如圖6所示。

圖6 壩基滲流量Q2隨防滲墻間距的變化曲線Fig.6 The curves of seepage discharge of dam foundation changing with spacing of double cut-off

由圖6可得，各曲線的變化規(guī)律類似，都隨著間距L的增加先降低后增大。對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，曲線1、2、4、5、7在L=13.5 cm時(shí)達(dá)到最小值，而曲線3、6在L=17.5 cm降低至最小值。工況⑦在L=17.5 cm時(shí)，壩基滲流量降低至最小值為1.8×10-6m3/s。

2.2 滲透坡降分析

根據(jù)各測(cè)壓管的壓力水頭值，計(jì)算得出出逸坡降J，作出逸坡降變化曲線如圖7所示。

圖7 出逸坡降J隨防滲墻間距的變化曲線Fig.7 The curves of exit gradient changing with spacing of double cut-off

由圖7可知，各曲線的變化規(guī)律與圖3類似，出逸坡降J隨防滲墻間距的增加而降低。對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，曲線1、2、4、5、7的斜率dJ/dL較大，曲線3、6的斜率dJ/dL較小。當(dāng)兩防滲墻的間距L由3 cm增大至30 cm時(shí)，工況①～⑦對(duì)應(yīng)的出逸坡降分別降低40.61%、38.36%、10.74%、45.45%、47.14%、11.02%、50.18%。由此可見，工況③、工況⑥(前短后長(zhǎng))對(duì)應(yīng)的出逸坡降降低量ΔJ明顯低于其他工況。

由此可見：

1)壩體滲流量以L=13.2、16.5 cm為分界線，先增大后降低；壩基滲流量以L=13.5、17.5 cm為分界線，先降低后增大。

2)當(dāng)1號(hào)防滲墻的深度大于或等于2號(hào)防滲墻(S1≥S2)時(shí)，滲流量和出逸坡降隨間距增大降低明顯；壩體滲流量Q1在L=13.2 cm時(shí)出現(xiàn)極大值；壩基滲流量Q2在L=13.5 cm時(shí)出現(xiàn)極小值。

3)當(dāng)1號(hào)防滲墻的深度S1小于2號(hào)防滲墻的深度S2時(shí)，滲流量和出逸坡降隨防滲墻間距的增加變化不顯著；壩體滲流量Q1和壩基滲流量Q2分別在L=16.5、L=17.5 cm時(shí)出現(xiàn)極小值。

3 水頭消減和防滲墻形式分析

3.1 水頭消減分析

當(dāng)防滲墻深度S一定時(shí)，間距L對(duì)滲流量和出逸坡降存在一定的影響，但對(duì)等勢(shì)線分布的影響不顯著，因此，在分析孔隙水壓力分布規(guī)律時(shí)取L=30 cm。基于測(cè)壓管的壓力水頭，利用Sufer繪制各工況下滲流等勢(shì)線分布圖，如圖8所示。

由圖8可得，各工況下滲流等勢(shì)線的分布規(guī)律類似，等勢(shì)線主要集中在防滲墻和弱透水層內(nèi)部，絕大多數(shù)的水頭被弱透水層和防滲墻形成的聯(lián)合防滲體系消減，殘余水頭較小。水體滲過強(qiáng)透水層后，水頭變化較小，可見，強(qiáng)透水層在消減水頭方面的效果不顯著。鑒于滲流路徑的區(qū)別，滲流量(Q、Q1、Q2)和出逸坡降J存在差異。

圖8 壩基滲流等勢(shì)線分布圖Fig.8 Distribution map of seepage equipotential lines

基于圖8(a)～(e)計(jì)算得出各工況下雙排防滲墻消減的水頭，列入下表4。

表4 水頭消減值Table 4 Water head setback value

由表4可得，當(dāng)雙排防滲墻深度一致時(shí)，1號(hào)防滲墻消減水頭6 cm，2號(hào)防滲墻消減水頭8 cm，分別占總量的37.5%和50%，余下12.5%的水頭由壩基土體消減。當(dāng)前后防滲墻深度不一致時(shí)，以S1=59 cm、S2=19 cm進(jìn)行闡述說明(另外一種工況規(guī)律一致)，1號(hào)防滲墻消減水頭10 cm，2號(hào)防滲墻消減水頭4 cm，分別占總量的62.5%和25%，剩余的12.5%的水頭同樣被壩基自身消減。

由此可見，當(dāng)兩防滲墻的深度一致時(shí)，靠近上游的防滲墻消減的水頭要小于下游防滲墻；當(dāng)兩防滲墻深度不同時(shí)，深度較大的防滲墻(與位置無(wú)關(guān))消減更多的水頭。此外，壩基土體中也存在3層弱透水層，同樣消減了部分水頭；由于強(qiáng)透水層滲透系數(shù)較大，消減的水頭可忽略不計(jì)。

3.2 防滲墻形式分析

試驗(yàn)中設(shè)置了7種防滲墻形式，歸納總結(jié)可分為3種：1)“前長(zhǎng)后短”，工況②、工況⑤；2)“前短后長(zhǎng)”，工況③、工況⑥；3)“前后同長(zhǎng)”，工況①、工況④、工況⑦。對(duì)比3種類型防滲墻的控滲效果，展開如下分析。以工況②(S1=59 cm、S2=19 cm)、工況③(S1=19 cm、S2=59 cm)、工況④(S1=S2=59 cm)為例，進(jìn)行滲流量和滲透坡降分析。當(dāng)間距L=30 cm時(shí)，基于圖3和圖7，對(duì)比工況②～工況④下滲流量Q和出逸坡降J如圖9所示。

圖9 各工況下滲流量和出逸坡降對(duì)比圖Fig.9 Compared graphs of seepage discharge and exit gradient under various work

由圖9(a)可得，當(dāng)間距L=30 cm時(shí)，“前長(zhǎng)后短”工況對(duì)應(yīng)的滲流量最大8.029×10-6m3/s，“前短后長(zhǎng)”工況次之，“前后同長(zhǎng)”工況最小。從防滲墻造價(jià)角度考慮，“前長(zhǎng)后短”和“前短后長(zhǎng)”工況造價(jià)相近(兩防滲墻的總深度一致)，但“前短后長(zhǎng)”工況在控制滲流量方面的效果明顯更佳，應(yīng)優(yōu)先考慮。

同理，對(duì)比圖9(a)和圖9(b)，具有類似的規(guī)律，都是“前長(zhǎng)后短”工況最大，“前短后長(zhǎng)”工況次之，“前后同長(zhǎng)”工況最小。

綜上所述，從降低工程造價(jià)的角度考慮，雙排防滲墻采用“前短后長(zhǎng)”的布置形式，能有效降低滲流量和抑制出逸坡降。

4 討論

4.1 弱透水層對(duì)滲流的影響

本文旨在探討雙排防滲墻的間距及布置形式對(duì)滲流的影響，并未著重考慮弱透水層的控滲特性，而弱透水層的滲透系數(shù)、厚度、埋藏深度、連續(xù)性對(duì)滲流場(chǎng)有較大的影響。因此，在后續(xù)研究中應(yīng)結(jié)合防滲墻和弱透水層進(jìn)行綜合分析，探討二者形成的聯(lián)合防滲體系的控滲效果。

4.2 防滲墻布置形式分析

“前長(zhǎng)后短”和“前短后長(zhǎng)”兩種布置形式在消減水頭方面無(wú)顯著差異，都是深度大的防滲墻消減的水頭較大，與位置無(wú)關(guān)。但從降低工程成本的角度考慮，當(dāng)前后兩防滲墻的總深度一定時(shí)，“前短后長(zhǎng)”在降低滲流量和抑制出逸坡降方面的效果更顯著，應(yīng)優(yōu)先考慮。

4.3 防滲墻間距分析

由2.1和2.2節(jié)分析得出，雙排防滲墻采用“前長(zhǎng)后短”、“前短后長(zhǎng)”、“前后同長(zhǎng)”的布置形式，總滲流量和出逸坡降皆隨著防滲墻間距的增大而減小。但實(shí)際工程中，防滲墻往往設(shè)置在廊道內(nèi)部，且部分壩型(如土石壩)并不能在壩體中設(shè)置廊道，因此，防滲墻的間距的設(shè)置應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程情況，在工程允許的條件下盡可能地增大間距。

4.4 壩體浸潤(rùn)線分析

滲流控制有兩個(gè)目的，一是滲流量和滲透坡降，二是壩體的浸潤(rùn)線。本試驗(yàn)重點(diǎn)分析防滲墻深度對(duì)壩基滲流的影響，對(duì)壩體浸潤(rùn)線的影響較小。壩體的浸潤(rùn)線主要受壩體控滲方案、壩體排水、壩體構(gòu)造等因素的影響。

5 結(jié)論

以多元結(jié)構(gòu)深厚覆蓋層壩基中的雙排防滲墻為研究對(duì)象，通過砂槽試驗(yàn)，分析防滲墻的布置形式及間距對(duì)滲流的影響，得出以下結(jié)論。

1)當(dāng)雙排防滲墻采用“前長(zhǎng)后短”、“前短后長(zhǎng)”、“前后同長(zhǎng)”布置形式時(shí)，滲流量和出逸坡降都隨著間距的增加而降低，其中“前短后長(zhǎng)”方案對(duì)應(yīng)的滲流量和出逸坡降降低趨勢(shì)不顯著。

2)壩體滲流量變化趨勢(shì)近似呈正態(tài)分布，先增大后降低；壩基滲流量的變化趨勢(shì)與壩體滲流量剛好相反，先降低后增大。當(dāng)雙排防滲墻都嵌入弱透水層，形成封閉的隔水空間，水體不易通過壩基滲向下游，壩體成為了滲流優(yōu)先通道。

3)當(dāng)兩防滲墻的深度一致時(shí)，靠近下游的防滲墻消減的水頭更大；兩防滲墻深度存在差異時(shí)，深度更大的防滲墻消減更多的水頭，且與位置無(wú)關(guān)。

4)當(dāng)雙排防滲墻的總深度一定時(shí)，采用“前短后長(zhǎng)”的布置形式相比“前長(zhǎng)后短”，更能有效降低滲流量和抑制出逸坡降。