某土石壩深厚覆蓋層混凝土防滲墻深度優化研究

支永艷，鄧華鋒，段玲玲

(三峽大學三峽庫區地質災害教育部重點實驗室，湖北宜昌443002)

0 引 言

我國西南地區水電資源豐富，該地區多高山峽谷，具有高地震設防烈度、河谷覆蓋層深厚等特點，水電站壩型的選擇存在較大局限性。由于土石壩對復雜地基適應能力較強，因此，是一種常用的壩型之一。在土石壩修建過程中，由于覆蓋層結構比較松散，滲透系數比較大，導致深厚覆蓋層成為整個大壩工程的主要滲流途徑[1]，深厚覆蓋層的防滲加固直接關系到壩體的安全，是工程和學術界關注的熱點問題。較多學者對深厚覆蓋層防滲體系做大量的研究，沈振中等[2]、華靜等[3]、龐瓊等[4]、尹海華[5]總結了垂直防滲和水平鋪蓋防滲在深厚覆蓋層防滲中的運用情況；盧亞霞[6]、嚴俊等[7]、劉昌軍等[8]分析了不同防滲墻位置、深度、裂縫、材料對土石壩滲流量及下游出逸坡降的影響；丁樹云等[9]、王嘉貴等[10]對深厚覆蓋層土石壩進行了數值模擬，分析了土石壩滲流耦合及應力變形特性；李德香[11]、王天星[12]系統闡述了土石壩滲透變形的成因，并提出了相應的防滲措施；呂洪旭等[13]、吳長春[14]、黎劭[15]、陳小洪等[16]結合工程實際，分別對瀑布溝大壩、熊官塘水庫大壩、崀峨水庫除險加固大壩等進行分析計算，得出最佳防滲體系設計方案。覆蓋層的深度往往達到數十米，甚至上百米，在垂直防滲體系中，最關鍵的問題是確定防滲墻或者帷幕灌漿的深度，這直接影響到防滲效果和工程處理費用。

本文主要研究西藏某深厚覆蓋層上的一個碾壓式瀝青混凝土心墻壩，深厚覆蓋層采用懸掛式混凝土防滲墻，通過數值計算分析確定合理的防滲墻深度，并在此基礎上對壩體和壩基滲流特性進行整體分析評價。

圖1 壩軸線工程地質剖面示意

1 深厚覆蓋層防滲墻深度對比分析

1.1 工程地質條件

壩軸線工程地質剖面如圖1所示，壩址區河谷呈U形橫向谷，兩岸沖溝發育，河谷覆蓋層厚度為14.5～77.0 m，組成物質以粗顆粒卵礫石為主，壩址區鉆孔揭露發現淤泥、粘土等軟弱夾層分布；基巖的地層為變質砂巖。根據現場試驗，強風化層和弱風化層分別呈弱、微透水性。壩址區谷底寬度一般為200～300 m，水庫正常蓄水位時河谷寬414.5 m，河床及河漫灘高程一般為4 432～4 435 m，地形平坦開闊，左岸階地高程一般為4 437～4 466 m，地形坡度一般為20°～30°，4 495 m高程以上地形坡度35°～55°，右岸階地高程一般為4 443～4 480 m，地形坡度約25°～35°。

1.2 壩基防滲方案

按照以往的工程經驗，采用混凝土防滲墻方案時，防滲墻的深度一般貫穿深厚覆蓋層進行全封閉防滲處理，但是在覆蓋層深度較大的時候，會導致工程造價明顯增大，在有的工程中也嘗試提出了懸掛混凝土防滲墻方案[19]。

本工程采用懸掛混凝土防滲墻方案，防滲墻厚0.8 m，為了選取經濟合理的防滲墻深度，結合覆蓋層的厚度分布情況，混凝土防滲墻考慮78、76、72、62、52、42、32、22、20 m等9種情況(對于覆蓋層較淺的位置，混凝土防滲墻深度以穿透覆蓋層為止)，對瀝青混凝土心墻土石壩壩址區進行滲流計算，分析不同防滲墻深度情況下的滲流情況，根據“不發生滲透破壞和滿足水庫興利調節作用的發揮”為原則，對比分析確定防滲墻深度。

圖2 壩體最大剖面(0+250)示意(單位：高程m，尺寸cm)

1.3 計算軟件、模型及參數

在防滲墻深度對比分析中，為了獲取比較準確的計算結果，選取了K0+50、K0+100、K0+150、K0+200、K0+250(最大斷面)、K0+350和K0+400共7個斷面，進行正常蓄水位工況的穩態滲流計算。

二維滲流計算采用GeoStudio軟件的SEEP/W模塊進行計算。最大剖面K0+250計算模型如圖3所示，模型上下游方向長度為610 m，模型底部延伸至高4 221 m。網格劃分為三角形單元和四邊形單元。壩體分區為除心墻外，單元劃分長度均為5 m。壩基單元劃分長度為覆蓋層10 m，基巖15 m。心墻和防滲墻是大壩防滲的關鍵部位，且厚度較薄，網格劃分加密，網格單元劃分長度為1 m。模型共有1 954 個結點、591個單元。

圖3 最大剖面0+250計算模型

根據相關地質和設計資料，壩體、壩基和防滲結構的滲透系數取值如表1所示。

表1 壩體、壩基和防滲結構的滲透系數 m/s

對于最小顆粒粒徑大于0.075 mm的無黏性土，當D20/d20≤7.8時，兩土層之間滲流速度的差異性逐漸消失，不存在接觸沖刷問題；或者兩土層滲透系數之比≤60，同樣不存在接觸沖刷問題[20]。本工程中，壩殼料和過渡料的滲透系數相差30倍，小于0.075 mm粒徑含量都不超過5%，不會發生接觸沖刷破壞。過濾料與瀝青混凝土心墻滲透系數相差3×108倍，由于瀝青混凝土心墻的粘聚力較大，過濾料小于0.075 mm粒徑含量不超過5%，故不會發生接觸沖刷破壞。覆蓋層主要為粗顆粒卵礫石，基巖為變質砂巖，砂礫層與強風化層基巖的滲透系數相差1.4倍，也不會發生接觸破壞。以往的研究表明，在滲透坡降較大的地方，接觸滲流破壞更容易發生[21]。計算得到K0+250斷面處的接觸沖刷滲透坡降最大，為0.097，小于0.15，因此，可判定覆蓋層和混凝土防滲墻不會發生接觸沖刷破壞。

表2 不同深度防滲墻滲流量統計結果

1.4 計算結果分析

不同深度懸掛防滲墻方案的各斷面滲流量及大壩年滲流量統計結果如表2所示。各斷面的滲流量與防滲墻深度的關系曲線如圖4所示，不同斷面的各防滲墻深度單寬滲流量如圖5所示，不同深度防滲墻情況下壩體和壩基的年滲流量變化曲線如圖6所示。

圖4 不同深度防滲墻的各斷面單寬滲流量

圖5 不同斷面的各防滲墻深度單寬滲流量

圖6 不同深度防滲墻的大壩年滲流量

綜合表2、圖4～6可以看出：

(1)防滲墻深度從20 m增加至78 m時，各斷面計算的單寬滲流量逐漸減小，其中，K0+50、K0+100、K0+150、K0+200斷面的單寬滲流量變化趨勢尤為明顯，最大斷面K0+250在防滲墻深度達20 m時，單寬滲流量最大，K0+300、K0+400斷面的單寬滲流量基本保持不變。主要是由于河床覆蓋層厚度分布不均勻，左邊深、右邊淺，在防滲墻未貫穿覆蓋層之前，隨著防滲墻深度的增加，斷面單寬流量逐漸減小，當防滲墻貫穿覆蓋層后，滲流量驟降。

(2)防滲墻的深度從20 m增至22 m時，大壩年滲流量驟降。這是由于最大斷面K0+250在防滲墻深度達22 m時貫穿覆蓋層，單寬滲流量驟降，所以大壩的年滲流量隨之驟降。防滲墻的深度從22 m增加到76 m時，大壩年滲流量緩慢降低，防滲墻深度達76 m時，大壩大部分斷面已貫穿覆蓋層，故大壩年滲流量驟降后保持不變，大壩年滲流量范圍為5.57×105～1.67×106m3，約占壩址區流量的0.53%～1.58%。

(3)對比分析可以看出，防滲墻深度22 m可以滿足大壩和壩體年滲流量不大于多年平均徑流量2%的設計要求；滲透坡降滿足小于0.15的要求，壩基不會發生管涌破壞。

2 壩體和壩基滲流特性分析

2.1 計算模型和工況

在前述二維分析確定的混凝土防滲墻深度布置基礎上，建立三維有限元滲流模型，進一步驗證分析防滲墻深度為22 m是否滿足設計要求。

三維滲流分析采用ADINA軟件的Thermal模塊計算。模型如圖7所示，計算范圍為上游側邊界距壩軸線200 m，下游側邊界距壩軸線300 m，距上下游壩坡均接近1.5倍壩高，左右岸距壩肩均1倍壩高。網格劃分為四面體單元和六面體單元，共36 743 個結點、31 948個單元。

圖7 三維計算模型

滲流分析共模擬3種工況，即正常蓄水位、設計洪水位、校核洪水位。滲流分析中，上下游邊界條件均為定水頭邊界。上、下游壩址區滲流分析計算工況及邊界條件如表3所示。

表3 滲流計算工況和邊界條件

2.2 三維滲流計算結果分析

2.2.1滲流量

在大壩正常運行過程中，總滲流量包括壩體、壩基和繞壩滲流3部分，由于設計洪水位和校核洪水位都是在短時間的，僅對正常蓄水位工況的滲流量進行統計，結果如表4所示。

表4 三維滲流量統計結果

三維計算得到年滲流量為2.01×106m3，占壩址區多年平均徑流量的1.89%，小于壩址區多年平均徑流量的2%，水庫的滲漏損失滿足設計要求。比較而言，由于三維模型計算范圍更加完整，包括了繞壩滲流，計得到的年滲流量明顯大于二維模型的計算結果。

2.2.2壩體浸潤線及下游出逸點

從計算結果來看，3種工況下，隨著上游水位的上升，上游壩體內部浸潤線逐漸上升，下游壩體內部浸潤線受水位影響較小，且均位于下游排水層。最大斷面K0+250的壩體浸潤線如圖8所示。

圖8 最大斷面浸潤線

從圖8可以得出：

(1)校核洪水位條件下，壩體浸潤線位置最高，且水頭差最大。防滲體系上游壩體內部浸潤面較高，防滲體系下游壩體處浸潤面驟降至排水層，根據浸潤線的高度，可以為壩坡穩定計算和布置壩內觀測管提供依據。

(2)在土壩或其他巖土體滲流中，在下游壩坡出滲邊界處存在一個滲出面，即浸潤線與坡面的交點高出下游水位線的部分，根據經驗，當滲流的流量越大，其滲出面的高度越大；當土層的滲透系數越大，滲出面高度越小[22]。本文心墻和防滲墻的防滲系數較小，為10-9～10-10數量級，大壩滲流量在心墻處驟降，在大壩下游側，排水層、反濾層和排水棱體的滲透系數較大，為10-1～10-4數量級，滲流量較大，滲出面位于下游水位線以下，混凝土防滲墻和心墻起到了“上堵下排”的作用[15]，壩體壩基的防滲效果顯著。

表5 大壩各樁號剖面水力梯度計算統計結果

(3)壩殼料與心墻料的滲透系數相差108數量級，認為心墻上游側的入滲水頭就是庫水位，即心墻的擋水位就是壩前的庫水位，將心墻視為防滲墻，下游壩殼視為排水體，浸潤線計算結果與前人研究結果[23]相符。為了保護心墻在水庫的運行中不致發生滲透破壞，下游反濾層不應低于心墻的最高逸出點[23]，隨著上游水位從正常蓄水位上升至校核洪水位，下游出逸點高程從4 432 m上升至4 433.74 m，出逸點均位于下游砂礫層排水體中部，低于反濾層高層，故心墻不會發生滲透破壞。

2.2.3水力梯度

滲流場中水力梯度的變化是影響土石壩滲流穩定的主要因素，當滲透坡降大于允許值時會發生滲透變形破壞，其逸出坡降大小也是衡量壩體壩基是否會發生管涌、流土等滲透破壞的一個重要指標[24]。不同工況下瀝青混凝土心墻滲透坡降如圖9所示，不同工況下混凝土防滲墻滲透坡降如圖10示。根據三維計算結果，K0+50、K0+100、K0+150、K0+200、K0+250、K0+350、K0+400等7個斷面處瀝青混凝土心墻和混凝土防滲墻的滲透坡

圖9 不同工況下瀝青混凝土心墻滲透坡降

降均小于規范允許值80，壩體填筑材料和天然砂礫石層的滲透坡降小于規范允許值0.15，壩體和壩基滲透坡降滿足規范要求，大壩不會發生滲透破壞。在3種工況條件下，瀝青混凝土心墻和混凝土防滲墻滲透坡降隨庫水位上升線性增加，滲透坡降最大斷面K0+250處達到峰值，接近允許值。主要是由于心墻和防滲墻的滲透系數遠遠小于壩殼料和砂礫層的滲透系數。下游壩殼的浸潤線也較平緩，水頭損失主要在心墻和防滲墻部位。斷面K0+400的滲透坡降最小，這是由于該斷面靠近右壩頭，覆蓋層很薄，滲流量較小。

圖10 不同工況下混凝土防滲墻滲透坡降

3 結論及建議

(1)考慮不同深度的懸掛混凝土防滲墻方案，進行了多個斷面的二維滲流對比計算分析，計算結果表明，防滲墻深度22 m可以滿足年滲流量不大于多年平均徑流量即庫容損失的2%的要求。本工程河床覆蓋層厚度分布不均勻，左邊深、右邊淺，計算結果規律與實際符合較好。

(2)三維計算結果表明，采用瀝青混凝土心墻和防滲墻為主的防滲體系可有效地降低壩體內部浸潤線高度，浸潤線在瀝青混凝土心墻處驟降，最大壩高處浸潤線降至排水層，下游出逸點位于下游排水體中下部。在3種工況下復核計算結果表明，當防滲墻深度達到22 m時，瀝青混凝土心墻和混凝土防滲墻的滲透坡降均小于允許值80，壩體填筑材料和天然砂礫石層的水力梯度小于允許值0.15，均滿足滲透穩定要求。

(3)當防滲墻深度達22 m時，可以滿足本工程要求，但是大壩年滲流量相對較大，在最大斷面K0+250處，覆蓋層較淺，滲透坡降較大，接近規范發生滲流破壞的臨界值。建議嚴格控制施工質量，確保防滲體系良好的工作性能，加強施工期和運行期的滲流監測。