土石壩防滲墻嵌巖深度對壩體穩定性影響

曲華斌，王克磊，楊 震

(1.山東省海河淮河小清河流域水利管理服務中心，山東 濟南 250100；2.山東省水利科學研究院，山東 濟南 250100)

1 概述

大壩的防滲墻是水庫大壩最重要的組成部分。既有研究主要集中于防滲墻的防滲效果、滲流規律以及防滲墻的設計參數的優化研究。劉菊蓮[1]基于ANSYS數值有限元研究了防滲墻對某水庫地下滲流場影響規律。結果表明，防滲墻深度愈大，則水頭差愈低。此外，隨著防滲墻厚度增大，各特征面上水頭差表現出減小的規律，但厚度超過1.5m后降幅趨于0。支永艷等[2]基于數值計算系統的研究了深厚覆蓋層混凝土防滲墻深度確定方法。結果表明，采用瀝青混凝土心墻和懸掛式混凝土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，大壩最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；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。王正成等[3]基于流固耦合理論系統的研究了水庫垂直防滲墻合理深度的確定方法。結果表明，防滲墻的貫入度為0.6時為水庫防滲墻的最優深度。實際工程中防滲墻的最優嵌入深度一般為3～5m。辛欣[4]基于滲流有限元軟件建立模型模擬壩基滲流場。研究了防滲墻最優深度的確定方法。結果表明，防滲墻深度取40.5m時為最優深度。劉奉銀等[5]基于數值計算分析了防滲墻深度對大壩滲流穩定性的影響。結果表明，閉式防滲墻可以有效控制滲流場，對邊坡穩定性的提高具有積極影響。

如何科學的選取防滲墻參數是目前研究的重點。基于此，本文建立數值計算模型系統的研究了防滲墻嵌固深度對壩體穩定性的影響。研究結果為大壩除險加固提供參考。

2 數值模型

2.1 模型概述

本文研究的土石壩為帶混凝土防滲墻的土石壩。假定河水流向為X軸，與河水流向垂直的為Y軸整個模型的計算長度為120m，高度為32m。數值模型中網格劃分均采用四邊形單元。巖土體本構為摩爾-庫倫模型。為了模擬防滲墻和巖土體的接觸，本文在兩者之間設置了Goodman接觸單元。最終模型的網格總數為15780個，節點單元為18980個。模型典型斷面圖如圖1所示。

圖1 大壩典型剖面圖

考慮本文研究內容。在計算工況的選取中，計算了水庫的校核洪水工況，其中大壩上游水位為41m，下游水位為28.7m。大壩的上下游垂直剖面及底面為不透水邊界，上游庫水位的下表面和下游庫水位的下表明為水頭邊界。

2.2 數值計算模型參數

根據室內土工試驗及參考相關類似材料研究，本文匯總得到本文數值計算各材料的滲透系數見表1。對應材料的物理力學參數見表2。

表1 各材料滲透系數匯總 單位：cm/s

表2 材料物理力學參數匯總

3 結果與分析

嵌固段深度2m，不同防滲墻厚度下壩體浸潤線分布規律如圖2所示。

圖2 嵌固段深度2m對應壩體浸潤線

結果表明，無防滲墻時，浸潤線水位接近壩高的2/3位置，因此大壩存在安全隱患，當設置了防滲墻后，浸潤線明顯降低，特別是下游處降低幅度可達84%。證明防滲效果顯著提升。此外，隨防滲墻厚度增大浸潤線水位降低[6]。

3.1 單寬滲流量變化規律

為研究防滲墻嵌固深度對大壩穩定性的研究，本文計算了防滲墻嵌固深度分別為0、2、4、6、8、10和12m以及防滲墻厚度分別為0.6、0.8、1.0和1.2m工況下壩基單寬滲流量規律。單寬滲流量隨防滲墻嵌巖深度變化的規律如圖3所示。

圖3 嵌固段深度和單寬流量關系

結果表明，相同防滲墻厚度下，單寬滲流量隨入巖深度的增大而減小，而相同入巖深度下，防滲墻厚度越小，單寬流量越大。在防滲墻厚度為0.6m，嵌固段深度為0m時，單寬流量達到最大，最大值為7.5×10-4m3/s；當防滲墻厚度為0.6m，嵌固段深度為2m時，單寬流量5.5×10-4m3/s；當防滲墻厚度為0.6m，嵌固段深度為4m時，單寬流量4.9×10-4m3/s；當防滲墻厚度為0.6m，嵌固段深度為6m時，單寬流量3.9×10-4m3/s；當防滲墻厚度為0.6m，嵌固段深度為8m時，單寬流量2.2×10-4m3/s；當防滲墻厚度為0.8m，嵌固段深度為10m時，單寬流量1.0×10-4m3/s；當防滲墻厚度為0.6m，嵌固段深度為12m時，單寬流量0.2×10-4m3/s。顯然，隨著防滲漏厚度和嵌固深度的增大，單寬流量的降低速率顯著變緩。因此實際工程中，一味地追求單寬流量減小會導致施工成本明顯增大，根據本文的研究，在滿足規范要求的5.3×10-4m3/s的允許值下，防滲墻厚度為0.8m，嵌固段深度為2m為最優選擇。

3.2 防滲墻底部滲透坡降變化規律

防滲墻底部滲流坡降與嵌固段深度的關系如圖4所示。

圖4 防滲墻底部滲流坡降與嵌固段深度的關系

結果表明，相同防滲墻厚度下，單防滲墻底部滲流坡降隨入巖深度的增大而減小，而相同入巖深度下，防滲墻厚度越小，防滲墻底部滲流坡降越大。在防滲墻厚度為0.6m，嵌固段深度為0m時，防滲墻底部滲流坡降達到最大，最大值為58；當防滲墻厚度為0.6m，嵌固段深度為2m時，防滲墻底部滲流坡降為24；當防滲墻厚度為0.6m，嵌固段深度為4m時，防滲墻底部滲流坡降為10；當防滲墻厚度為0.6m，嵌固段深度為6m時，防滲墻底部滲流坡降為13；當防滲墻厚度為0.6m，嵌固段深度為8m時，防滲墻底部滲流坡降為14；當防滲墻厚度為0.6m，嵌固段深度為10m時，防滲墻底部滲流坡降為15；當防滲墻厚度為0.6m，嵌固段深度為12m時，防滲墻底部滲流坡降為82。顯然，當防滲墻的嵌固段深度大于8m時，防滲墻底部滲流坡降隨嵌巖深度增大而增大，尤其是當嵌巖深度大于10m時，滲流坡降變化速率顯著增大。出現這一現象的主要原因是，隨嵌固段的增大，防滲墻底端的水流通道體積減小，從而導致滲流速度變大，進而導致局部水頭損失的滲流坡降上升。尤其是當防滲墻深度足夠大，接近于弱風化基巖時，滲透坡降變化速率明顯發生突變。綜合本文的分析，嵌巖段深度2～10m為最優。

3.3 壩腳逸出點滲透坡降

坡腳溢出點坡降與防滲墻嵌巖深度的變化關系如圖5所示。

圖5 坡腳溢出點坡降與防滲墻嵌巖深度的關系

結果表明，在防滲墻厚度不變的情況下，坡腳溢出點坡降隨嵌巖深度的增大而減小；而相同入巖深度下，防滲墻厚度越小，坡腳溢出點坡降越大。其中當防滲墻厚度為0.6m，嵌巖深度為0m時，坡腳溢出點坡降為最大值0.15；當防滲墻厚度為0.6m，嵌巖深度為2m時，坡腳溢出點坡降值0.06；當防滲墻厚度為0.6m，嵌巖深度為4m時，坡腳溢出點坡降值0.043；當防滲墻厚度為0.6m，嵌巖深度為6m時，坡腳溢出點坡降值0.04；當防滲墻厚度為0.6m，嵌巖深度為8m時，坡腳溢出點坡降值0.023；當防滲墻厚度為0.6m，嵌巖深度為10m時，坡腳溢出點坡降值0.017；當防滲墻厚度為0.6m，嵌巖深度為12m時，坡腳溢出點坡降值趨于0。顯然，隨著嵌巖深度和防滲墻厚度的提高，坡腳溢出點坡降減小速率顯著降低。出現這一現象的主要原因是由于，隨著防滲墻嵌巖深度的增大，滲流長度顯著提高，造成更多的水頭損失，最終導致滲透坡降降低。以防滲墻厚度為0.8m，嵌巖深度為2m為例，防滲墻坡腳溢出點坡降均比規范規定的允許值要小。但一味地追求降低坡腳溢出點坡降會大大增大施工成本。同時增大嵌巖深度也會增大基巖對防滲墻的約束，可能導致應力集中及剛性變形，對壩體的穩定性產生不利影響。綜合來看，防滲墻厚度為0.8m，嵌固段深度為2.0m最為科學合理。

墻后水頭與防滲墻嵌巖深度的變化關系如圖6所示。

圖6 墻厚水頭與防滲墻嵌巖深度的關系

結果表明，在防滲墻厚度不變的情況下，坡腳溢出點坡降隨嵌巖深度的增大而減小；而相同入巖深度下，防滲墻厚度越小，墻后水頭越大。總體來看，厚度不同的防滲墻對應的水頭下降幅度高達10%，其中防滲墻厚度為0.8m，嵌巖深度為2m下對應的墻后水頭為12m，比最大水頭降低20%，對于防滲墻的設計最優。

4 結論

本文采用數值模擬系統的研究了混凝土防滲墻嵌巖深度和厚度對大壩滲流穩定性的影響。得到如下幾點結論。

(1)隨著防滲漏厚度和嵌固深度的增大，單寬流量的降低速率顯著變緩。根據本文的研究，在滿足規范要求的5.3×10-4m3/s的允許值下，防滲墻厚度為0.8m，嵌固段深度為2m為最優選擇。

(2)隨嵌固段的增大，防滲墻底端的水流通道體積減小，從而導致滲流速度變大，進而導致局部水頭損失的滲流坡降上升。綜合本文的分析，嵌巖段深度2～10m為最優。

(3)過大的嵌巖深度也會增大基巖對防滲墻的約束，可能導致應力集中及剛性變形，對壩體的穩定性產生不利影響。