土石壩加固混凝土防滲墻底水力坡降分析

李 焱 ，高江林

（1.江西省水利科學(xué)研究院，江西南昌 330029；2.江西省水工安全工程技術(shù)研究中心，江西南昌 330029）

0 引言

混凝土防滲墻是20世紀(jì)50年代在意大利發(fā)展起來(lái)的一種壩體防滲方式，經(jīng)過(guò)60余年的發(fā)展，現(xiàn)已成為土壩加固方案的首選方式之一。針對(duì)混凝土防滲墻前人已經(jīng)做了大量的研究，也取得了較多的成果[1～6]。但這些研究大多集中在防滲墻參數(shù)設(shè)計(jì)、施工控制等。然而由于防滲墻在施工過(guò)程中可能存在底部沉渣等缺陷，相對(duì)于墻身，防滲墻底部的水力坡降是存在一定的特殊性的。防滲墻底的水力坡降過(guò)大會(huì)引起防滲墻底部土體產(chǎn)生滲透破壞，對(duì)壩體安全產(chǎn)生巨大影響。

近幾年江西省對(duì)數(shù)百座土石壩進(jìn)行了加固，并用不同的方案重新建造了大壩的防滲體系[7]。研究各方案中防滲墻底的水力坡降并對(duì)其安全性進(jìn)行分析，對(duì)指導(dǎo)今后的工程實(shí)施、保證大壩安全具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 防滲加固方案應(yīng)用情況

統(tǒng)計(jì)江西省水庫(kù)土石壩的除險(xiǎn)加固中所采用的防滲方案，按防滲墻底和帷幕灌漿銜接段的處理方式，可以概括為以下3種：

方案一：防滲墻和帷幕灌漿綜合應(yīng)用，防滲墻和帷幕灌漿布置在同一軸線上。待墻體凝固具有一定強(qiáng)度后，在墻內(nèi)鉆孔進(jìn)行帷幕灌漿；或在墻體施工時(shí)，預(yù)埋灌漿管，通過(guò)灌漿管灌漿，見(jiàn)圖1（a）。

方案二：防滲墻、帷幕灌漿綜合應(yīng)用，墻前靜壓灌漿。先進(jìn)行混凝土防滲墻施工，然后在防滲墻上游鉆孔，灌漿孔鉆至基巖面以下1～2 m。在防滲墻軸線上游30 cm處首先進(jìn)行接觸段（主要是基巖與覆蓋層接觸段）鉆孔灌漿。接觸段鉆孔進(jìn)入基巖1.5 m，套管下至覆蓋層頂面上部0.5 m處，利用漿柱壓力對(duì)基巖接觸段進(jìn)行靜灌，見(jiàn)圖 1（b）。

方案三：防滲墻、帷幕灌漿、高壓噴射灌漿綜合應(yīng)用，墻前布置“壓漿板”。帷幕灌漿軸線一般布置在防滲墻軸線前30 cm左右。在基巖帷幕灌漿施工前，需在基巖上方利用高壓噴射灌漿形成一道“壓漿板”，墻底一般為基巖頂面，以利于基巖帷幕灌漿。壓漿板垂直方向長(zhǎng)度（深度）一般為1 m。帷幕灌漿施工時(shí)，只需在施工好的高壓防滲墻（壓漿板）孔位上鉆帷幕灌漿孔，對(duì)壩基進(jìn)行帷幕灌漿防滲，見(jiàn)圖1（c）。

2 防滲墻底水力坡降分析

本文利用GEO-Studio有限元軟件，對(duì)3種混凝土防滲墻加固方式進(jìn)行滲流分析。

2.1 工程概況

選用的典型工程為宜春市某中型水庫(kù)。該水庫(kù)壩址以上控制流域面積30 km2，水庫(kù)總庫(kù)容1 745萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)正常高水位 112.3 m，校核洪水位 115.2 m，死水位96.6 m，壩頂高程 116.6 m，最大壩高 26.6 m，壩頂寬 6.0 m。防滲墻厚度為40 cm。

采用大壩典型斷面作為分析計(jì)算斷面。大壩的主要材料有：壩體填土、排水棱體、壩基礫質(zhì)土層、壩基風(fēng)化基巖、壩基未風(fēng)化基巖（見(jiàn)圖2）。各分區(qū)材料滲透系數(shù)（由該工程的勘察設(shè)計(jì)單位提供）如表1。

2.2 有限元計(jì)算結(jié)果分析

圖1 防滲墻底和帷幕灌漿銜接段處理方式簡(jiǎn)化圖

圖2 滲流計(jì)算斷面圖

表1 滲流分析有限元模型材料滲透系數(shù)表

滲流分析采用的最低水位為死水位96.6 m，最高水位為校核洪水位115.2 m。通過(guò)有限元分析及計(jì)算，3種防滲方案下，防滲墻底的水力坡降見(jiàn)表2與圖3。

從表2和圖3可以看出，

（1）隨著壩前水頭的增加，防滲墻底的水力坡降均呈線性上升趨勢(shì)，上升最明顯的是方案一。由于方案一中防滲墻底水力坡降隨壩前水頭升高的增速較快，因此在壩前水頭較高時(shí)應(yīng)慎重選擇此方案。

（2）在壩前水頭相等的情況下，方案一的防滲墻底水力坡降最大，其次是方案二，防滲墻底水力坡降最小的是方案三。從表2可以看出，各防滲方式下，防滲墻底下游的水頭變化不大，但防滲墻底上游的水頭存在較大差別，這是造成各防滲方案防滲墻底水力坡降產(chǎn)生差別的原因，說(shuō)明布置在防滲墻底部上游處的帷幕灌漿或“壓漿板”對(duì)防滲墻底部起到了較好的保護(hù)作用。

3種方案中，防滲墻底的水力坡降均遠(yuǎn)小于混凝土的滲透破壞比降（imax＝300）[6]、[8]，因此在短期內(nèi)，其安全性不存在問(wèn)題。然而，由于防滲墻在滲透壓力的作用下，其耐久性取決于機(jī)械力侵蝕和化學(xué)溶蝕作用，而侵蝕作用又與水力坡降密切相關(guān)，再考慮到防滲墻底由于施工時(shí)難免存在沉渣等缺陷，其允許滲透破壞比降也會(huì)降低。因此，防滲墻底的水力坡降越小，對(duì)防滲墻的耐久性越有利。這就說(shuō)明：從防滲墻底安全的角度來(lái)看，三種防滲方案中，方案三優(yōu)于方案二，更優(yōu)于方案一。

表2 各水頭下防滲墻底的上、下游水頭及水力坡降

圖3 各水頭下防滲墻底的水力坡降

3 結(jié)論及建議

本文對(duì)江西省較常用的土石壩壩體壩基防滲加固方案中防滲墻底的水力坡降進(jìn)行了有限元分析，得到的主要結(jié)論有：（1）隨著壩前水頭的增加，防滲墻底的水力坡降均呈線性上升趨勢(shì)，上升最明顯的是方案一。（2）在壩前水頭相等的情況下，方案一的防滲墻底水力坡降最大，其次是方案二，防滲墻底水力坡降最小的是方案三。

從防滲墻底安全的角度來(lái)講，三種防滲方案中，方案三優(yōu)于方案二，更優(yōu)于方案一。因此在新增防滲墻的土石壩除險(xiǎn)加固工程中，僅從安全的角度講，建議使用防滲墻、帷幕灌漿、高壓噴射灌漿綜合應(yīng)用、墻前布置“壓漿板”的加固方案。

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