深覆蓋層地基防滲措施對滲流場影響數(shù)值分析

黃梅瓊，柴軍瑞，2，白 勇，劉釗春

開發(fā)西部水能資源常會碰到河谷中深厚覆蓋層的問題，尤其在水能資源豐富的西南地區(qū)，此問題格外突出。深厚覆蓋層指堆積于河谷谷底，厚度大于30 m的第四紀(jì)松散堆積物，顆粒組成偏粗大且透水性強(qiáng)，是一種地質(zhì)條件差且復(fù)雜的地基［1－3］。隨著壩的高度增加以及壩基的復(fù)雜性增加，帶來了一系列技術(shù)問題，造成的損失也越來越大。隨著這些深厚覆蓋層基礎(chǔ)上閘壩的興建，國內(nèi)許多專家、學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，在深厚覆蓋層的勘探和取樣技術(shù)、工程特性試驗(yàn)、建壩試驗(yàn)研究、變形應(yīng)力計算、防滲加固處理等方面都積累了比較豐富的經(jīng)驗(yàn)，但和國際先進(jìn)水平相比仍有差距［4］。本文針對深厚覆蓋層地基上建土壩，采用有限元法分析了防滲措施對滲流場的定量影響，得出了重要規(guī)律性意見，對類似工程具有一定指導(dǎo)意義。

1 防滲措施和滲流場有限單元法

1．1 水平與垂直防滲措施

在壩上游填筑黏土鋪蓋，防滲鋪蓋可以延長滲流路徑，降低滲透坡降，減少滲漏量，即水平防滲。覆蓋層厚度在80 m以內(nèi)的垂直防滲可采用混凝土防滲墻，混凝土防滲墻是在松散透水地基或土石壩壩體中連續(xù)造孔成槽，以泥漿固壁，在泥漿下澆筑混凝土而建成的起防滲作用的地下連續(xù)墻［5］。

1．2 滲流基本方程

當(dāng)考慮水和土不可壓縮時，符合達(dá)西定律的二向非均質(zhì)各向異性土壩穩(wěn)定滲流基本方程為

式中：h為水頭函數(shù)；x，z為空間坐標(biāo)；kx，kz為以 x，z軸為主軸方向的滲透系數(shù)。

1．3 滲流量計算

利用有限單元法求得滲流場節(jié)點(diǎn)水頭值可直接計算滲流量。目前常用的方法有：①計算通過單元某一條邊的流量；②計算通過單元二邊長中點(diǎn)連線的流量，稱中線法。本文采取的是中線法。過流斷面通過單元形心，則通過這一斷面的單寬流量為

則通過單元計算斷面的流量為Δq［5］

2 工程實(shí)例

某黏土斜墻壩，壩高20 m，壩頂寬10 m，上、下游壩坡均為1∶2．5。該壩壩址區(qū)河床分布著第四紀(jì)松散沉積物，分為上、下兩大巖層：上部為漂卵礫石層，下部為塊碎石層，其平均厚度都約25 m。顆粒粗、孔隙大、滲透性強(qiáng)，屬深覆蓋層地基。運(yùn)用黏土鋪蓋和混凝土防滲墻進(jìn)行防滲。

2．1 計算模型與網(wǎng)格剖分

為了正確合理分析壩基的滲流場，研究其滲透規(guī)律，采取最優(yōu)措施進(jìn)行防滲，假設(shè)壩體不透水，計算模型見圖1。模型中的壩基及不同壩基交界處應(yīng)用ANSYS軟件，取上游100 m且壩基深50 m處作為坐標(biāo)原點(diǎn)，采用三角形單元進(jìn)行網(wǎng)格剖分，共剖分1 102個單元，616個節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。

各區(qū)材料的滲透系數(shù)的取值見表1。

圖1 計算模型Fig．1 The calculation model

圖2 網(wǎng)格剖分圖Fig．2 Mesh dissection

表1 各區(qū)材料的滲透系數(shù)Table 1 The permeability coefficients of various materials

2．2 擬定計算方案

為了分別研究黏土鋪蓋和混凝土防滲墻對壩基滲流場的影響，計算擬定了11種計算方案（見表2）。

表2 計算方案Table 2 The calculation programs

其中，方案（1）～（6）是為了研究無混凝土防滲墻時黏土鋪蓋長度對滲流場的影響；方案（7）～（11）是為了研究無黏土鋪蓋時混凝土防滲墻深度對滲流場的影響［6］。

2．3 計算結(jié)果及分析

2．3．1 無防滲墻時鋪蓋長度對滲流場的影響

無混凝土防滲墻時鋪蓋長度依次從0 m逐漸增加到100 m（對應(yīng)方案（1）～（6）），得到通過斷面的滲流量與鋪蓋長度的關(guān)系，見圖3。

圖3 滲流量隨鋪蓋長度的變化曲線Fig．3 The curve showing the re－lation of the amount of seepage and the length of waterproof blanket

從圖3可以看出，在無混凝土防滲墻的情況下，當(dāng)上游水平鋪蓋長度小于4倍上游水頭時，通過地基的滲流量隨著鋪蓋長度的增加而相應(yīng)減?。划?dāng)上游水平鋪蓋長度大于4倍上游水頭時，通過地基的滲流量隨著鋪蓋長度的增加無明顯變化。這表明在深厚覆蓋層地基上，延長水平黏土鋪蓋至4倍上游水頭可以減少滲漏量，大于4倍上游水頭時，繼續(xù)增加鋪蓋長度對滲流量無影響，必須要采取水平與垂直防滲措施進(jìn)行防滲。圖4給出了方案（3）（黏土鋪蓋40 m）的等水頭線圖。

圖4 方案（3）（黏土鋪蓋40 m）的等水頭線圖Fig．4 The water head contours of the Program 3with clay waterproof blanket 40 meters long

2．3．2 無鋪蓋時防滲墻深度對滲流場的影響

無鋪蓋時防滲墻深度依次從0 m逐漸增加到53 m（對應(yīng)方案（7）～（11）），得到通過地基的滲流量與防滲墻深度的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 滲流量與防滲墻深度的變化曲線Fig．5 The curve representing the change of the amount of seepage and the depth of the cut－off wall

從圖5可以看出，在無黏土鋪蓋的情況下，當(dāng)混凝土防滲墻深度小于3／4倍地基覆蓋層厚度時，通過地基的滲流量隨防滲墻深度的增加而相應(yīng)減小，但幅度有限。當(dāng)混凝土防滲墻深度大于3／4倍地基覆蓋層厚度時，滲流量隨之減少的幅度明顯增大。當(dāng)防滲墻打到基巖后（防滲墻53 m），滲流量驟降為0．726×10－6m3／（s·m）。這表明對于深厚覆蓋層地基，只有當(dāng)混凝土防滲墻深度大于3／4倍地基覆蓋層厚度時才能取得較好的防滲效果。當(dāng)防滲墻完全封閉覆蓋層時能夠可靠、有效地截斷水流。圖6給出了方案（9）（防滲墻深度 28 m）的等水頭線圖［7－9］。

圖6 方案（9）（防滲墻深度28 m）的等水頭線圖Fig．6 The water head contours of the Program 9 with the cut－off wall 28 meters in depth

3 結(jié) 論

（1）應(yīng)用有限元法分析了工程實(shí)例，由于主要研究的是地基的滲透規(guī)律，所以假定壩體不透水。而在實(shí)際工程中，在深厚覆蓋層地基上建壩應(yīng)共同研究壩體與壩基，格外注意防滲墻與壩體防滲體的連接。

（2）在計算條件下，延長水平黏土鋪蓋至4倍上游水頭可以減少滲漏量；大于4倍上游水頭時，繼續(xù)增加鋪蓋長度對滲流量無影響，必須要采取水平與垂直防滲措施進(jìn)行防滲。

（3）在計算條件下，只有當(dāng)混凝土防滲墻深度大于3／4倍覆蓋層厚度時才能取得較好的防滲效果。

（4）當(dāng)防滲墻完全封閉覆蓋層時能夠可靠、有效地截斷水流。

［1］ 楊天?。詈窀采w層巖組劃分及主要工程地質(zhì)問題［J］．水力發(fā)電，1998，6：17－19．

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