防滲墻質(zhì)量缺陷對(duì)某土石壩穩(wěn)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(guān)鍵組成部分，在工程的除險(xiǎn)加固中應(yīng)用極為廣泛[1]，其材料質(zhì)量和施工工藝直接關(guān)系到大壩結(jié)構(gòu)的滲流穩(wěn)定性能，由于防滲墻屬于結(jié)構(gòu)的隱蔽工程，墻體部位極易出現(xiàn)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(shù)難以達(dá)標(biāo)、墻體厚薄不均等現(xiàn)象。盛金昌等[2]通過(guò)分析混凝土防滲墻開(kāi)裂對(duì)某大壩壩基土體滲透穩(wěn)定性的影響，總結(jié)了防滲墻裂縫寬度和條數(shù)對(duì)壩基滲透穩(wěn)定性的影響；李少明[3]采用有限元分析防滲墻的質(zhì)量缺陷出現(xiàn)的位置對(duì)大壩滲流影響；段芳[4]通過(guò)不同水位情況下有無(wú)防滲墻缺陷的壩體進(jìn)行有限元數(shù)值模擬；李宏恩等[5]利用降低材料彈性模量對(duì)防滲墻的施工缺陷進(jìn)行了應(yīng)力變形的影響數(shù)值模擬。

相關(guān)學(xué)者針對(duì)防滲墻出現(xiàn)裂縫及處理分析做了一定的研究[6～8]，但關(guān)于這些施工缺陷對(duì)大壩滲流控制的影響研究相對(duì)較少。本文結(jié)合某工程實(shí)例，基于飽和-非飽和滲流理論，應(yīng)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(duì)大壩滲流控制的影響，并總結(jié)防滲墻存在初始裂縫、材料滲透系數(shù)不足等不同缺陷時(shí)大壩穩(wěn)定性態(tài)變化。

1 概況

1.1 工程概況及有限元模型

某水庫(kù)大壩為粘土斜墻壩，壩頂高程71.10 m，壩頂長(zhǎng)492.00 m，壩頂寬10.0 m，最大壩高34.20 m。大壩除險(xiǎn)加固前，壩體填土結(jié)構(gòu)較疏松，屬中等偏高壓縮性土，滲透性較強(qiáng)；斜墻土滲透系數(shù)不能滿(mǎn)足規(guī)范要求，其土體結(jié)構(gòu)較疏松，抗剪強(qiáng)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(zhì)量稍差；除險(xiǎn)加固時(shí)對(duì)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(kù)，對(duì)混凝土防滲心墻成墻施工質(zhì)量控制要求嚴(yán)格，即嚴(yán)控施工工藝，防止出現(xiàn)施工質(zhì)量缺陷。

采用GeoStudio2012軟件分析防滲墻不同質(zhì)量缺陷對(duì)大壩穩(wěn)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(gòu)成，所建模型共劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)1062個(gè)，單元數(shù)1275個(gè)，有限元模型示意見(jiàn)圖1。根據(jù)地勘資料及工程經(jīng)驗(yàn)，大壩各分區(qū)土體材料參數(shù)取值見(jiàn)表1。

圖1 大壩典型斷面有限元模型簡(jiǎn)圖

表1 大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算各土層參數(shù)選取

1.2 滲流控制及邊界條件

有限元法求解滲流場(chǎng)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(shù)，考慮各向同性時(shí)kx=kz；Q為邊界上水的流量；θ為體積含水率；t為時(shí)間。該方程描述了滲流區(qū)單元內(nèi)某時(shí)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(shù)；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(yīng)時(shí)刻的水頭；q（x，y，t）為邊界r2上單寬補(bǔ)給流量。初始條件為開(kāi)始時(shí)刻滲流場(chǎng)，即常水位下的穩(wěn)定滲流，求解方程時(shí)，有限元程序采用Galerkin加權(quán)殘數(shù)法原理求解。

采用GeoStudio2012軟件對(duì)大壩進(jìn)行計(jì)算，其中滲流計(jì)算用seep/w模塊實(shí)現(xiàn)，然后把不同時(shí)段滲流計(jì)算結(jié)果調(diào)入slope/w模塊計(jì)算瞬態(tài)壩坡穩(wěn)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(lèi)邊界；滲流自由面和不透水層屬第二類(lèi)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(shù)不足影響分析

滲透系數(shù)對(duì)土石壩的滲流穩(wěn)定起到關(guān)鍵性的作用[10]。本文分析大壩加固按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行成墻，大壩滲流狀況安全且大壩運(yùn)行穩(wěn)定。若假定大壩成墻時(shí)滲透系數(shù)出現(xiàn)偏差，即考慮滲透系數(shù)為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值10倍、20倍、與斜墻或壩體滲透系數(shù)相近，則大壩的滲流穩(wěn)定性態(tài)出現(xiàn)明顯的變化見(jiàn)圖2。防滲墻滲透系數(shù)不同情況的變化，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

圖2 防滲墻滲透系數(shù)設(shè)計(jì)值10倍、20倍、同斜墻值的滲流分析圖

表2 防滲墻滲透系數(shù)變化計(jì)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(shù)的增大而增大，滲流量逐步增大，最小安全系數(shù)隨之偏低，當(dāng)與壩體土層滲透系數(shù)相同時(shí)，防滲墻起不到防滲的效果，大壩極可能發(fā)生滲透破壞，抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)小于允許值，與加固前大壩存在的問(wèn)題相符，因而不可隨意改變防滲墻滲透系數(shù)的設(shè)計(jì)值。

3 防滲墻潛在初始裂縫影響分析

當(dāng)混凝土防滲墻存在初始裂縫時(shí)，將影響該區(qū)域局部孔隙的滲透性能，從而影響孔隙水壓力的分布導(dǎo)致裂縫進(jìn)一步加劇[11]。本文將初始裂縫做簡(jiǎn)化處理分析，假設(shè)墻體內(nèi)部存在一個(gè)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(qiáng)風(fēng)化層高程29.00 m等三處，據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料[2～3]取0.1 m，孔洞選取計(jì)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(shù)與所在分區(qū)的土體材料滲透系數(shù)相同，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。將裂縫位置假定在壩體土層常水位浸潤(rùn)線以下（高程54.00 m）、壩基覆蓋層中間（高程40.00 m）和強(qiáng)風(fēng)化層中間（高程29.00 m），總結(jié)分析墻體不同高層出現(xiàn)缺陷時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)整體滲流穩(wěn)定的影響。分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 防滲墻不同裂縫位置計(jì)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(qiáng)風(fēng)化層中滲流分析圖

由圖3及表3計(jì)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(xiàn)顯著的下降趨勢(shì)，壩體最大滲透坡降接近允許坡降值，壩體易發(fā)生滲透破壞，無(wú)法保障結(jié)構(gòu)的滲流穩(wěn)定。但大壩壩體內(nèi)滲流路徑較長(zhǎng)，滲流量未見(jiàn)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(shù)等均與防滲墻無(wú)裂縫情況下計(jì)算值一致；③防滲墻裂縫位于強(qiáng)風(fēng)化層（高程29.00 m），因強(qiáng)風(fēng)化層滲透系數(shù)較大，導(dǎo)致大壩最小安全系數(shù)偏低，滲流量偏大，壩體浸潤(rùn)線的出逸點(diǎn)偏高，對(duì)壩坡整體穩(wěn)定不利。

綜上分析，防滲墻初始裂縫位于壩體土層時(shí)，壩體易發(fā)生滲透破壞；位于強(qiáng)風(fēng)化層時(shí)，壩體浸潤(rùn)線的出逸點(diǎn)偏高，滲流量增大，大壩最小安全系數(shù)偏低，對(duì)大壩整體穩(wěn)定不利，因而需重視在透水性大的土層內(nèi)成墻施工。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）大壩壩體滲透坡降隨滲透系數(shù)的增大而增大，滲流量逐步增大，最小安全系數(shù)隨之偏低，當(dāng)與壩體土層滲透系數(shù)相同時(shí)，大壩極可能發(fā)生滲透破壞，與加固前大壩存在的問(wèn)題相符，因而不可隨意改變防滲墻滲透系數(shù)的設(shè)計(jì)值。

（2）防滲墻初始裂縫位于壩體土層時(shí)，大壩結(jié)構(gòu)易發(fā)生滲透破壞；位于強(qiáng)風(fēng)化層時(shí)，壩體浸潤(rùn)線的出逸點(diǎn)偏高，大壩最小安全系數(shù)偏低，對(duì)大壩整體滲流穩(wěn)定不利，因而需重視在透水性大的土層內(nèi)成墻施工。

（3）防滲墻作為土石壩工程防滲體系的關(guān)鍵組成部分，在實(shí)際工程施工中，應(yīng)嚴(yán)格控制好防滲墻的施工工藝及質(zhì)量，保證大壩結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，保障大壩的安全運(yùn)行。