深厚覆蓋層中局部強透水層對滲流的影響研究

王正成， 毛海濤,2， 申紀偉， 黃海均

(1.重慶三峽學院 土木工程學院， 重慶 404100； 2.武漢大學 水利水電學院， 湖北 武漢 430072)

1 研究背景

深厚覆蓋層地基廣泛分布于我國西南、西北地區[1]，隨著水利水電工程的迅速發展，基巖出露或薄覆蓋層的地基越來越少，受到地基的約束，越來越多的水利工程不得不建立在深厚覆蓋層地基上[2]。研究表明，深厚覆蓋層地基中往往存在局部強透水層，強透水層具有孔隙大、透水性強等特性，其特性決定了強透水層是滲流的優先和集中通道，是控滲工程的薄弱環節[3]。因此，為了保證工程的安全穩定，制定合理可靠的滲控方案，局部強透水層對大壩滲流的影響規律亟待探明。

大量學者以局部強透水層為研究對象，開展了研究。謝輝[4]借助Seep3D針對底部為強透水的特殊基坑工程進行了三維非穩定滲流模擬，結果表明防排結合的方式能有效控制基坑內的降水。常明云等[5]提出針對砂卵石地層復雜強透水地層進行處理時，應針對強透水通道進行回填充填灌漿堵漏處理。崔永高[6]研究表明含有強透水層的超大面積基坑在降水時存在著較強的群井效應。劉曉慶等[7]針對強透水地基上土石壩進行非飽滲流數值模擬，得出輻射井和集水廊道聯合作用能有效收集水庫滲水。李桂榮等[8]針對鄭州引黃灌溉調蓄池的強透水層進行研究，提出了“塑性混凝土+水平壤土鋪蓋”聯合控滲方案。葉青[9]研究表明采用止水帷幕針對強透水基坑進行控滲處理時，隨著帷幕深度增大，控滲效果越佳。李來祥等[10]提出采用高噴帷幕截滲方案對高瞳泵站的強透水地基進行控滲處理，效果顯著。曹洪等[11]以雙層強透水層堤基為研究對象，研究表明強透水層間的垂向滲流作用較弱，強透水層層內流動及越流補給作用顯著。綜上所述，已有研究成果主要集中在強透水基坑及地基存在的弊端及處理方式，或優化滲流計算模型。但針對深厚覆蓋層中局部強透水層深度、厚度及連續性等特性對滲流場的影響尚缺乏系統的研究，需深入探討。

2 非飽和土體滲流理論

土-水特征曲線(SWCC)用于描述飽和-非飽和土中土體體積含水率與基質吸力間的函數關系，本文采用Van Genuchten提出的數學模型[12]：

(1)

式中：Vws為標準化體積含水量；a為進氣壓力值的倒數；um為基質吸力；n為與土體孔徑分布相關的參數；m為SWCC曲線的整體對稱性參數。

孔隙水在表面張力作用下，在水、氣截面產生彎液面，水和氣承受的壓力存在差異，該差異值稱為基質吸力，此力是非飽和土的一個重要指標，通過Laplace公式可求解得出[13]:

(2)

式中：ua為孔隙氣壓力，Pa；uw為孔隙水壓力，Pa；Ts為表面張力，N；r1和r2為彎液面短軸和長軸半徑，m。

非飽和滲透特征曲線可采用Gardner[14]提出的非飽和滲透系數與基質吸力關系式:

(3)

式中：k為表征土體的非飽和滲透系數；ks為飽和滲透系數；γw為水的容重，kg/m3。

土體孔隙率、飽和滲透系數和初始飽和滲透系數間的關系為：

(4)

式中：ks0為初始飽和滲透系數；n為孔隙率；n0為初始孔隙率。

非飽和土滲流控制微分方程[15]為:

(5)

式中：kr(hc)為相對透水率，非飽和區0

3 模型建立

3.1 模型概況

壩體為黏土均質土壩，壩高20 m，壩頂寬5 m，壩前和壩后水頭為16和0 m；上下游壩坡均為1∶2。深厚覆蓋層地基厚度為110 m，為典型的強弱互層地基，由砂土(強透水層)和黏土(弱透水層)構成，壩體和壩基中的黏土為同一種材料；壩基的控滲方案為混凝土防滲墻，防滲墻嵌入壩體內2 m，墻體厚1 m，深度S2為0～110 m(圖1)。

3.2 計算工況

經調查研究表明，由于受到地質成巖作用、地質構造運動等因素的影響，深厚覆蓋層壩基中局部強透水層的埋深(深度)、厚度、連續性存在較大差異，且局部強透水層往往是滲流的集中通道，是控滲工程的重點處理對象，決定整個控滲工程的成敗的關鍵因素。

基于強透水層特性(深度、厚度和連續性)的差異，建立數值模型：(1)厚度：強透水層厚度d=1 m，深度S1=10～100 m，如圖1(a)所示；(2)深度：強透水層深度S1=55 m，厚度d=1～10 m，如圖1(b)所示；(3)連續性：強透水層深度S1和厚度d分別為55和1 m，其上游、下游和底端開口長度分別用L1、L2和L3表征，在10～100 m間取值，如圖1(c)～1(e)所示。

3.3 計算參數

將黏土、強透水層和防滲墻的基本物理參數列入表1。

表1 數值模型土體的基本物理指標

非飽和砂土和黏土在滲流作用下，流體和固體發生耦合作用，體積含水率Vws和滲透系數k隨基質吸力變化，變化曲線如圖2所示。

圖1 5種工況模型橫斷面圖

圖2 體積含水率和滲透系數隨基質吸力的變化曲線

4 模擬結果與分析

基于上述數值模型，分別計算出各工況下滲流量Q、壩踵處滲透坡降J1、出逸坡降J2，旨在分析強透水層深度S1、厚度d和連續性對大壩滲流的影響。

4.1 強透水層深度分析

作滲流量Q隨強透水層深度S1的變化曲線，如圖3所示。

由圖3可得，(1)曲線1～2變化規律類似，滲流量Q隨強透水層深度S1的增大而減??；當S1由10 m增大至100 m時，曲線1、2對應的滲流量Q分別降低20.06%、21.36%，且初始降低速度較快。(2)曲線3～11變化規律類似，存在明顯的分界線，當S1≤S2時(分界線以下區域)，滲流量隨S1增加而增大，增幅為8.61%～18.26%；當S1≥S2時(分界線以上區域)，滲流量隨S1的增大而降低，降幅為1.04%～14%。(3)當S2=110 m時，為全封閉式防滲墻，曲線近似水平；當S1由10 m增加至100 m時，滲流量僅增大1.6%。

進一步分析壩踵處滲透坡降J1的變化規律，其變化曲線如圖4所示。

對比圖3與4可得，滲流量和壩踵處滲透坡降的變化規律類似，皆存在明顯的分界線，但也存在些許差異。(1)當S1≥S2時(分界線以上區域)，壩踵處滲透坡降J1隨S1的增大而降低，降幅為7.92%～33.49%；(2)當S1≤S2時(分界線以下區域)，壩踵處滲透坡降J1先降低，隨后近似趨于穩定，最后再增大；以曲線5(S2=40 m)為例進行闡述說明，當S1由10增大至20 m時，壩踵處滲透坡降J1降低15.67%；S1由20增大至30 m時，J1僅增大1.38%；S1由30增大至40 m時，J1增大40.74%。

進一步分析出逸坡降J2隨強透水層深度S1的變化規律，其變化曲線如圖5所示。

由圖5可得，各曲線的變化特征存在共性，總體呈下降趨勢，且初始下降速度較快，隨后逐漸趨于穩定；當S1由10 m增加至100 m時，出逸坡降J2降低6.17%～6.81%。但對比各曲線也存在一定差異：(1)當防滲墻深度S2≤20 m和S2=110 m時，出逸坡降呈下降趨勢；(2)當30≤S2≤100 m時，出逸坡降J2曲線存在明顯的分界線，J2先降低后增大，隨后再降低，最后趨于穩定；(3)當S1=S2時，出逸坡降J2增大，增幅為0.05%～0.48%。

基于各滲流參數隨強透水層深度S1的變化特性，進一步分析滲流參數隨強透水層厚度d的變化規律。

4.2 強透水層厚度分析

當強透水層深度S1=55 m時，作滲流量Q隨強透水層厚度d的變化曲線如圖6所示。

圖3滲流量隨強透水層深度的變化曲線 圖4壩踵處滲透坡降隨強透水層深度的變化曲線

圖5出逸坡降隨強透水層深度的變化曲線 圖6滲流量隨強透水層厚度的變化曲線

由圖6可得：(1)當防滲墻深度S2=0～50 mS1=55 m時(曲線8～11)，防滲墻穿過強透水層，滲流量曲線變化平緩，當d由1 m增大至10 m時，滲流量Q僅增大0.38%～2.39%。(4)當S2=110 m時(曲線12)，為全封閉式防滲墻，曲線近似水平，當d由1 m增大至10 m時，滲流量Q僅減小0.07%。

進一步分析壩踵處滲透坡降J1的變化特征，其變化曲線如圖7所示。

對比圖6與7可得，滲流量和壩踵處滲透坡降曲線的變化規律類似，當防滲墻深度S2=0～50、70～100 m時，強透水層厚度由1 m增加至10 m時，壩踵處滲透坡降J1增大0.31%～11.67%；當防滲墻深度S2=60 m時，d由1 m增加至10 m時，J1增大46.8%；當防滲墻深度S2=110 m時，d由1 m增加至10 m時，J1降低0.82%。當d由5 m增大至6 m時，曲線7對應的滲流量增大26.11%。

作出逸坡降J2的變化曲線如圖8所示。

對比圖6～8不難得出，3個滲流參數的變化規律類似，出逸坡降J2的特性參照J1和Q的變化規律，不再贅述。但出逸坡降明顯大于壩踵處滲透坡降，J1=0.243～0.908，J2=20.837～21.521。

基于上述規律，進一步分析強透水層的連續性對滲流場的影響，設定3種工況：強透水層上游開口、下游開口、底端開口。

4.3 強透水層連續性分析

4.3.1 強透水層開口在防滲墻上游 作滲流量Q隨強透水層上游開口長度L1(下文簡稱“上游開口長度”)的變化曲線如圖9所示。

由圖9可得，各曲線變化規律類似，曲線平緩。當S1=0～100 m，Q隨上游開口長度L1的增加而增大，增幅為0.31%～2.36%。當防滲墻深度S1=110 m時，為全封閉式防滲墻，Q隨著L1的增大上下波動，但總體呈增大趨勢，增幅為0.15%。

作壩踵出滲透坡降J1隨強透水層上游開口長度L1的變化曲線，如圖10所示。

圖7壩踵處滲透坡降隨強透水層厚度的變化曲線 圖8出逸坡降隨強透水層厚度的變化曲線

圖9滲流量隨上游開口長度的變化曲線 圖10壩踵處滲透坡降隨強透水層上游開口長度的變化曲線

由圖10可得，各曲線變化規律類似，變化平緩，波動較?。灰陨嫌伍_口長度L1=50 m為對稱軸；(1)當L1≤50 m時，壩踵處滲透坡降J1隨左端開口長度L1增大而增大，增幅為0%～4.51%；(2)當上游開口長度L1≥50 m時，L1從50 m增大至100 m時，壩踵處滲透坡降J1降低1.19%～2.31%。(3)當防滲墻深度S2=110 m時，為全封閉式防滲墻，對應的J1較小(0.247～0.25)。

當強透水層厚度d=1 m，深度S1=55 m時，作出逸坡降J2的變化曲線如圖11所示。

由圖11可看出，J2與Q的變化規律類似。出逸坡降J2隨強透水層上游開口長度L1的增大而增加，增幅為0.005%～0.2%；且防滲墻深度S2=110 m對應的出逸坡降曲線近似水平，變化幅度最小。

4.3.2 強透水層開口在防滲墻下游 進一步分析滲流量Q和滲透坡降隨強透水層下游開口長度L2(下文簡稱“下游開口長度”)的變化規律，滲流量曲線如圖12所示。

由圖12可得，各曲線變化規律類似，都以強透水層下游開口長度L2=40 m為對稱軸，呈先增大后降低的趨勢；當下游開口長度L2由10 m增大至40 m時，滲流量Q增大0～0.71%；當L2由40 m增大至100 m時，滲流量Q降低0.33%～0.59%。且采用全封閉式防滲墻控滲時(S1=110 m)，控滲效果明顯優于其他工況。

作壩踵處滲透坡降J1隨強透水層下游開口長度L2的變化曲線如圖13所示。

對比圖12與13可知，兩者變化規律類似，以下游開口長度L2=40 m為對稱軸，在該處達到極大值；當L2由10 m增大至40 m時，壩踵處滲透坡降J1增大0～2.76%；當L2由40 m增大至100 m時，J1降低0.8%～2.14%。

作出逸坡降J2的變化曲線如圖14所示。

圖11出逸坡降隨強透水層上游開口長度的變化曲線 圖12滲流量隨強透水層下游開口長度的變化曲線

圖13壩踵處滲透坡降隨強透水層下游開口長度的變化曲線 圖14出逸坡降隨強透水層下游開口長度的變化曲線

由圖14可得，出逸坡降J2隨下游開口長度L2的增加而增大，增幅為0.06%～0.13%；且采用全封閉式防滲墻(S2=110 m)時，J2增大最為顯著(0.13%)，其余曲線近似水平。

綜上所述，滲流量Q、壩踵處滲透坡降J1、出逸坡降J2曲線變化平緩，可見強透水層下游開口對滲流影響較小。

4.3.3 強透水層開口在防滲墻底端 進一步分析滲流參數隨強透水層底端開口長度L3的變化曲線，如圖15所示。

由圖15可得，滲流量曲線大致分3類，“顯著上升曲線”、“平緩上升曲線”、“平緩下降曲線”。(1)當S2=0～50S1=55 m時(防滲墻穿過強透水層)，L3由10 m增加至100 m時，Q增大0.03%～1.05%；(3)當S2=110時，為全封閉式防滲墻，L3由10 m增加至100 m時，Q反而降低0.07%。

作壩踵處滲透坡降J1隨底端開口長度L3的變化曲線如圖16所示。

由圖16可得：(1)當S2=0～50 mS1=55 m時，防滲墻穿過強透水層，L3由10 m增大至100 m時，J1增大0.28%～3.29%；(3)當S2=110 m時，為全封閉式防滲墻，L3由10 m增大至100 m時，J1降低0.4%。

作出逸坡降J2的變化曲線如圖17所示。

對比圖15～17不難得出，三者變化規律類似，J2的變化規律不再詳細贅述。(1)當S2=0～50 mS1=55 m時，J2增大0.02%～0.1%；(3)當S2=110 m時，J2反而降低0.01%。

前文已經詳細分析了強透水層上游、下游、底端開口長度對滲流量Q、壩踵處滲透坡降J1、出逸坡降J2的影響規律，但何種開口形式對控滲工程更不利尚不明確，需展開對比分析。

4.3.4 強透水層開口形式分析 以強透水層厚度d=1 m、深度S1=55、開口長度L1=L2=L3=50 m為例，針對強透水層開口形式作對比分析。作不同開口形式下滲流量Q隨防滲墻深度S2的變化曲線，如圖18所示。

分析圖18不難得出，(1)各曲線變化規律類似，滲流量(Q上、Q下、Q底)隨著防滲墻深度S2的增加而減?。籗2由0 增大至110 m，Q上、Q下、Q底分別降低27.95%、27.68%、28.28%。(2)Q上、Q下、Q底分別為2.738×10-5～3.8×10-5、2.722×10-5～3.764×10-5、2.726×10-5～3.801×10-5m3/s，可見Q下明顯低于Q上和Q底，下游開口對滲流量Q影響最小。(3)當S2=0～50 m時，防滲墻未穿過強透水層時，各曲線并未重合；當防滲墻穿過強透水層(S2=0～60 m)時，各曲線近似重合；可見當防滲墻穿過強透水層后，強透水層的開口形式對滲流量影響較小。

當強透水層開口長度L1=L2=L3=50 m時，作壩踵處滲透坡降J1變化曲線如圖19所示。

對比圖18與19不難得出，滲流量Q曲線和壩踵處滲透坡降J1曲線變化規律類似，其變化規律不再贅述。此外，J1上、J1下、J1底分別為0.25～0.839、0.249～0.827、0.25～0.851，J1底>J1上>J1下，可見對壩踵處滲透坡降影響從大到小排序為：底端、上游、下游。

當強透水層開口長度L1=L2=L3=50 m時，作出逸坡降J2變化曲線如圖20所示。

圖15滲流量隨強透水層底端開口長度的變化曲線 圖16壩踵處滲透坡降隨底端開口長度的變化曲線

圖17出逸坡降隨底端開口長度的變化曲線 圖18不同開口形式滲流量隨防滲墻深度變化曲線

圖19不同開口形式壩踵處滲透坡降隨防滲墻深度變化曲線 圖20不同開口形式出逸坡降隨防滲墻深度變化曲線

對比圖18～20可得出，Q、J1和J2的規律類似，隨著S2的增大而降低。當S2由0增大至110 m時，J2上、J2下和J2底分別降低2.8%、2.7%和2.82%。當S2=0～50 mJ2上>J2下；當防滲墻穿過強透水層時(S2=60～110 m>S1=55 m)，3曲線近似重合。

5 討 論

5.1 平緩曲線分析

由4.3節可知，在分析強透水層對滲流場的影響規律時，圖9～17中滲流參數曲線變化平緩，展開如下討論。

(1)當防滲墻未穿過強透水層時(S2=0～50 m

(2)當防滲墻穿過強透水層時(S2=60～110 m>S1=55 m)，防滲墻與下層弱透水層(位于強透水層下部)形成封閉式聯合防滲體系，強透水層開口長度的改變對滲流參數影響較小。

5.2 防滲墻設置分析

本文深厚覆蓋層壩基主要由弱透水層(黏土)構成，局部區域的強透水層為滲流集中通道，為控滲工程中的“薄弱環節”。在分析強透水層特性(S1、d、L1、L2、L3)對各滲流參數的影響時不難得出，當防滲墻穿過強透水層時對應的滲流參數(Q、J1、J2)，明顯低于未穿過時對應的各參數；此外，當采用全封閉式防滲墻時(S2=110 m)，滲流參數都降至最低。因此，針對局部區域存在強透水層的深厚覆蓋層地基，防滲墻設置時應穿過強透水層，形成相對封閉的聯合控滲體系；若仍不能滿足控滲要求時，建議做成全封閉式防滲體系。

6 結 論

基于非飽和土滲流理論，探討深厚覆蓋層壩基中局部強透水層特性對滲流場的影響規律，得出以下5點結論。

(1)當強透水層深度大于防滲墻深度時，滲流量、壩踵處滲透坡降和出逸坡降隨著強透水層深度增大而減小；反之，隨著強透水層深度增大，滲流量逐漸增大，壩踵處滲透坡降先降低后增大，出逸坡降降低。

(2)滲流量、壩踵處滲透坡降、出逸坡降皆隨著強透水層厚度的增加而增大；且當防滲墻底端位于強透水層時，滲流參數顯著增大。

(3)隨著強透水層上游開口長度增大，滲流量和出逸坡降逐漸增大，壩踵處滲透坡降先增大后降低；隨著強透水層下游開口長度增大，滲流量和壩踵處滲透坡降先增大后降低，出逸坡降逐漸增大；各滲流參數隨強透水層底端開口長度的增加而增大，全封閉式防滲墻除外。

(4)當強透水層處于壩基中間位置，且厚度和開口長度一定時，各滲流參數隨防滲墻深度的增加而降低；各開口形式對滲流參數影響從大到小排序為：底端、上游、下游。

(5)針對深厚覆蓋層中存在局部強透水層的特殊地基，設置防滲墻時應穿過強透水層，形成相對封閉的聯合控滲體系；若仍不能滿足控滲要求時，建議做成全封閉式防滲體系。