防滲墻質量缺陷對某土石壩穩定性影響分析

周建云

（江西省袁惠渠工程管理局，江西 新余 338000）

0 引言

混凝土防滲墻作為土石壩工程防滲體系的關鍵組成部分，在工程的除險加固中應用極為廣泛[1]，其材料質量和施工工藝直接關系到大壩結構的滲流穩定性能，由于防滲墻屬于結構的隱蔽工程，墻體部位極易出現施工缺陷，例如墻體存在潛在的初始裂縫、墻體材料滲透系數難以達標、墻體厚薄不均等現象。盛金昌等[2]通過分析混凝土防滲墻開裂對某大壩壩基土體滲透穩定性的影響，總結了防滲墻裂縫寬度和條數對壩基滲透穩定性的影響；李少明[3]采用有限元分析防滲墻的質量缺陷出現的位置對大壩滲流影響；段芳[4]通過不同水位情況下有無防滲墻缺陷的壩體進行有限元數值模擬；李宏恩等[5]利用降低材料彈性模量對防滲墻的施工缺陷進行了應力變形的影響數值模擬。

相關學者針對防滲墻出現裂縫及處理分析做了一定的研究[6～8]，但關于這些施工缺陷對大壩滲流控制的影響研究相對較少。本文結合某工程實例，基于飽和-非飽和滲流理論，應用極限平衡上限解分析，采用有限元法分析不同防滲墻施工缺陷對大壩滲流控制的影響，并總結防滲墻存在初始裂縫、材料滲透系數不足等不同缺陷時大壩穩定性態變化。

1 概況

1.1 工程概況及有限元模型

某水庫大壩為粘土斜墻壩，壩頂高程71.10 m，壩頂長492.00 m，壩頂寬10.0 m，最大壩高34.20 m。大壩除險加固前，壩體填土結構較疏松，屬中等偏高壓縮性土，滲透性較強；斜墻土滲透系數不能滿足規范要求，其土體結構較疏松，抗剪強度偏低；壩基覆蓋層的主壩河床段及左岸清基較好，右岸清基質量稍差；除險加固時對大壩壩身采用混凝土防滲心墻處理。因本工程為大中型水庫，對混凝土防滲心墻成墻施工質量控制要求嚴格，即嚴控施工工藝，防止出現施工質量缺陷。

采用GeoStudio2012軟件分析防滲墻不同質量缺陷對大壩穩定性的影響。大壩典型斷面有限元模型由四邊形單元和三角形單元構成，所建模型共劃分節點數1062個，單元數1275個，有限元模型示意見圖1。根據地勘資料及工程經驗，大壩各分區土體材料參數取值見表1。

圖1 大壩典型斷面有限元模型簡圖

表1 大壩滲流穩定計算各土層參數選取

1.2 滲流控制及邊界條件

有限元法求解滲流場的拉普拉斯控制方程：

式中：H為總水頭；kx、ky分別為x和y方向的滲透系數，考慮各向同性時kx=kz；Q為邊界上水的流量；θ為體積含水率；t為時間。該方程描述了滲流區單元內某時段流入和流出的總流量等于體積含水率的變化量。

式中：k為滲透系數；r1為水頭邊界；r2為流量邊界；n為邊界r1或r2的外法線方向；h（x，y，t） 為邊界r1上相應時刻的水頭；q（x，y，t）為邊界r2上單寬補給流量。初始條件為開始時刻滲流場，即常水位下的穩定滲流，求解方程時，有限元程序采用Galerkin加權殘數法原理求解。

采用GeoStudio2012軟件對大壩進行計算，其中滲流計算用seep/w模塊實現，然后把不同時段滲流計算結果調入slope/w模塊計算瞬態壩坡穩定，上下游水位以下的入滲和出流面及自由滲出段，其水頭已知，上游水頭64.46 m，下游水頭為壩腳高程37.90 m，屬第一類邊界；滲流自由面和不透水層屬第二類邊界。荷載主要包括自重、靜水壓力和孔隙水壓力等。

2 防滲墻滲透系數不足影響分析

滲透系數對土石壩的滲流穩定起到關鍵性的作用[10]。本文分析大壩加固按設計標準進行成墻，大壩滲流狀況安全且大壩運行穩定。若假定大壩成墻時滲透系數出現偏差，即考慮滲透系數為設計標準值10倍、20倍、與斜墻或壩體滲透系數相近，則大壩的滲流穩定性態出現明顯的變化見圖2。防滲墻滲透系數不同情況的變化，計算結果見表2。

圖2 防滲墻滲透系數設計值10倍、20倍、同斜墻值的滲流分析圖

表2 防滲墻滲透系數變化計算成果表

由圖2及表2可知：大壩壩體滲透坡降隨滲透系數的增大而增大，滲流量逐步增大，最小安全系數隨之偏低，當與壩體土層滲透系數相同時，防滲墻起不到防滲的效果，大壩極可能發生滲透破壞，抗滑穩定最小安全系數小于允許值，與加固前大壩存在的問題相符，因而不可隨意改變防滲墻滲透系數的設計值。

3 防滲墻潛在初始裂縫影響分析

當混凝土防滲墻存在初始裂縫時，將影響該區域局部孔隙的滲透性能，從而影響孔隙水壓力的分布導致裂縫進一步加劇[11]。本文將初始裂縫做簡化處理分析，假設墻體內部存在一個孔洞替代不均勻分布的初始裂縫，裂縫位置假定在壩體土層高程54.00 m、壩基覆蓋層高程40.00 m和強風化層高程29.00 m等三處，據相關文獻資料[2～3]取0.1 m，孔洞選取計算斷面下的一孔且單寬0.1 m作為初始值分析，其滲透系數與所在分區的土體材料滲透系數相同，計算結果見圖3。將裂縫位置假定在壩體土層常水位浸潤線以下（高程54.00 m）、壩基覆蓋層中間（高程40.00 m）和強風化層中間（高程29.00 m），總結分析墻體不同高層出現缺陷時對結構整體滲流穩定的影響。分析結果見表3。

表3 防滲墻不同裂縫位置計算成果表

圖3 裂縫位置在壩體常水位以下、壩基覆蓋層中、強風化層中滲流分析圖

由圖3及表3計算可知：①防滲墻初始裂縫位于壩體土層（高程54.00 m），墻體滲透坡降出現顯著的下降趨勢，壩體最大滲透坡降接近允許坡降值，壩體易發生滲透破壞，無法保障結構的滲流穩定。但大壩壩體內滲流路徑較長，滲流量未見明顯增大；②防滲墻裂縫位于壩基覆蓋層（高程40.00 m），壩體滲透坡降、滲流路徑、滲流量及大壩安全系數等均與防滲墻無裂縫情況下計算值一致；③防滲墻裂縫位于強風化層（高程29.00 m），因強風化層滲透系數較大，導致大壩最小安全系數偏低，滲流量偏大，壩體浸潤線的出逸點偏高，對壩坡整體穩定不利。

綜上分析，防滲墻初始裂縫位于壩體土層時，壩體易發生滲透破壞；位于強風化層時，壩體浸潤線的出逸點偏高，滲流量增大，大壩最小安全系數偏低，對大壩整體穩定不利，因而需重視在透水性大的土層內成墻施工。

4 結語

（1）大壩壩體滲透坡降隨滲透系數的增大而增大，滲流量逐步增大，最小安全系數隨之偏低，當與壩體土層滲透系數相同時，大壩極可能發生滲透破壞，與加固前大壩存在的問題相符，因而不可隨意改變防滲墻滲透系數的設計值。

（2）防滲墻初始裂縫位于壩體土層時，大壩結構易發生滲透破壞；位于強風化層時，壩體浸潤線的出逸點偏高，大壩最小安全系數偏低，對大壩整體滲流穩定不利，因而需重視在透水性大的土層內成墻施工。

（3）防滲墻作為土石壩工程防滲體系的關鍵組成部分，在實際工程施工中，應嚴格控制好防滲墻的施工工藝及質量，保證大壩結構的穩定，保障大壩的安全運行。