壩基混凝土防滲墻力學(xué)性狀的統(tǒng)計(jì)分析

溫立峰，李炎隆，柴軍瑞

（西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048）

1 研究背景

隨著水電開(kāi)發(fā)的不斷深化和筑壩技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的土石壩修建在可壓縮和可透水地基上。由于具有耐久性好，并且可以形成連續(xù)的防滲屏障等優(yōu)點(diǎn)，混凝土防滲墻是壩基滲流控制最廣泛采用的防滲措施之一[1-8]。我國(guó)混凝土防滲墻建設(shè)歷史已超過(guò)50年，高鐘璞[1]、韓新華[2]較為系統(tǒng)地總結(jié)了混凝土防滲墻的施工技術(shù)。王清友等[3]對(duì)塑性混凝土防滲墻的建設(shè)技術(shù)及工程特性進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)研究。宗敦峰等[4]系統(tǒng)歸納總結(jié)了我國(guó)超深與復(fù)雜地質(zhì)條件下混凝土防滲墻的建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)。我國(guó)防滲墻建設(shè)技術(shù)已取得快速發(fā)展，然而防滲墻工作條件復(fù)雜，在壩體填筑和水庫(kù)的蓄水作用下，墻體承受復(fù)雜受力條件，可能引起塑性應(yīng)變，部分實(shí)例工程在長(zhǎng)期運(yùn)行中已觀測(cè)到防滲墻不同程度的損傷開(kāi)裂破壞[9]。理論和數(shù)值計(jì)算表明，即使在較小的裂縫寬度作用下，防滲墻有效滲透系數(shù)也可能產(chǎn)生幾個(gè)數(shù)量級(jí)的增加[10]。Hinchberger 等[11]基于塑性混凝土軸向壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著裂縫的產(chǎn)生，防滲墻滲透系數(shù)顯著增加。因此，研究防滲墻的應(yīng)力變形性狀對(duì)其設(shè)計(jì)和建設(shè)至關(guān)重要。

防滲墻不僅承受上部壩體重力引起的土壓力和蓄水引起的水壓力，而且與相鄰?fù)馏w之間存在非線性接觸作用。針對(duì)防滲墻材料力學(xué)特性的研究已取得眾多有價(jià)值的成果[11-13]，然后目前尚未深入揭示防滲墻結(jié)構(gòu)的力學(xué)性狀。Rice 等[9]對(duì)30個(gè)已建土石壩收集了壩基除險(xiǎn)加固防滲體的長(zhǎng)期觀測(cè)資料，總結(jié)了壩基防滲體的長(zhǎng)期應(yīng)變性狀特征和失效開(kāi)裂機(jī)制，對(duì)新建土石壩工程壩基防滲體提出了警示。Brown 等[14]針對(duì)Arminou 心墻壩實(shí)測(cè)較大滲漏量的問(wèn)題，對(duì)壩基防滲墻的力學(xué)性狀開(kāi)展研究，分析了防滲墻設(shè)計(jì)和施工中可能存在的薄弱環(huán)節(jié)。Dascal[15]、丁艷輝等[16]根據(jù)工程實(shí)測(cè)資料，研究了若干防滲墻工程實(shí)例的應(yīng)力變形特性，由于不同工程之間存在明顯差異，難以獲得一般性結(jié)論和統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。Xiao等[17]對(duì)某水泥土防滲墻典型斷面開(kāi)展一維振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了地震作用下水泥土防滲墻的失效機(jī)制。Hou等[18]基于面板堆石壩防滲墻離心模型試驗(yàn)，揭示了防滲墻在復(fù)雜荷載條件下的力學(xué)響應(yīng)，獲得了防滲墻典型應(yīng)力和變形分布結(jié)果。試驗(yàn)研究一定程度上可以揭示防滲墻的力學(xué)性狀，但是所獲得的結(jié)果往往有限。酈能惠等[19]較為系統(tǒng)地研究了面板堆石壩防滲墻的力學(xué)性狀及其影響因素，并提出了改善防滲墻應(yīng)力狀態(tài)的措施。Li 等[20]、Yu 等[21-22]、Wen 等[23]及其他眾多學(xué)者[24-26]對(duì)防滲墻工程實(shí)例開(kāi)展數(shù)值分析，研究了防滲墻靜動(dòng)力應(yīng)力變形特性及損傷開(kāi)裂特性，分析了防滲墻材料彈性模量、接觸面性狀及河谷形狀等對(duì)墻體力學(xué)性狀的影響規(guī)律。然而，大部分?jǐn)?shù)值結(jié)果沒(méi)有得到實(shí)測(cè)結(jié)果的驗(yàn)證，難以獲得進(jìn)一步深入的結(jié)論。目前大量防滲墻修建在深厚覆蓋層地基中，但是對(duì)墻體力學(xué)性狀尚缺乏統(tǒng)一深入的認(rèn)識(shí)，特別是對(duì)面板堆石壩和心墻壩兩種不同位置防滲墻的力學(xué)性狀缺少系統(tǒng)歸納總結(jié)，因此有必要深入統(tǒng)計(jì)防滲墻的力學(xué)性狀，為防滲墻的建設(shè)提供支撐。

本文收集43個(gè)已建防滲墻工程實(shí)例的建設(shè)信息和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在分析防滲墻受力特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，從統(tǒng)計(jì)的角度系統(tǒng)綜述防滲墻的水平位移、頂部沉降、應(yīng)力特性及開(kāi)裂等力學(xué)性狀，揭示不同力學(xué)性狀的統(tǒng)計(jì)規(guī)律和產(chǎn)生機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，討論防滲墻的位置、深度、材料以及河谷形狀和地基變形特性對(duì)防滲墻力學(xué)性狀的影響規(guī)律，分析影響力學(xué)性狀的主要影響因素。

2 混凝土防滲墻實(shí)例數(shù)據(jù)庫(kù)

2.1 當(dāng)前實(shí)踐混凝土防滲墻具有防滲性能好、適應(yīng)地形地質(zhì)條件、可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施工質(zhì)量等眾多工程優(yōu)點(diǎn)。防滲墻的厚度主要取決于壩高和上游水頭，一般為0.6～1.2 m。深度方向一般貫入基巖至少0.5～1.0 m或者插入相對(duì)不透水層。覆蓋層厚度超過(guò)70 m時(shí)通常采用懸掛式防滲墻。目前塑性混凝土則應(yīng)用較多，相對(duì)于常規(guī)混凝土，摻入的膨潤(rùn)土使塑性混凝土具有較強(qiáng)適應(yīng)變形的能力。

圖1 混凝土防滲墻拔管法施工過(guò)程

混凝土防滲墻一般采用槽孔型墻體形式[1-2]。防滲墻的施工方法主要取決于墻體的深度、地基材料特性和施工設(shè)備等因素，但是一般均通過(guò)分階段或分單元的方式施工[3-4]。接頭拔管法是連接不同階段相鄰墻體，形成連續(xù)封閉接縫最常用的施工方法[1，27]。圖1為采用接頭拔管法建設(shè)防滲墻的典型過(guò)程。首先澆筑相對(duì)獨(dú)立的多個(gè)初期墻體，各墻體之間存在一定的間距；待初期墻體滿足強(qiáng)度要求后，拔出接頭管，完成剩余二期墻體的澆筑。施工過(guò)程中為了減小施工缺陷，通常需要嚴(yán)格控制接頭管的布置和偏差、槽孔的穩(wěn)定、接縫的清理和混凝土骨料分離等問(wèn)題。Song等[27]研究發(fā)現(xiàn)，接頭管的拔出時(shí)間和拔管力對(duì)防滲墻接頭的施工質(zhì)量具有重要影響。工程實(shí)踐和觀測(cè)資料表明，初期墻和二期墻接縫處通常存在一層無(wú)法避免的來(lái)自槽孔穩(wěn)定膨潤(rùn)土的泥皮。可以通過(guò)控制初期墻的凝固時(shí)間和槽孔穩(wěn)定泥漿水泥含量等措施減小該泥皮厚度[14，28]。

2.2 實(shí)例數(shù)據(jù)庫(kù)為了從統(tǒng)計(jì)角度綜述分析壩基防滲墻的力學(xué)性狀，本文基于已發(fā)表的論文和相關(guān)工程資料，收集了過(guò)去50年已建的43個(gè)土石壩壩基防滲墻工程實(shí)例的建設(shè)信息和監(jiān)測(cè)資料，如表1所示。收集的實(shí)例來(lái)自14個(gè)國(guó)家，其中我國(guó)的實(shí)例數(shù)為24個(gè)，占比超過(guò)50%。實(shí)例數(shù)據(jù)庫(kù)主要收集包括大壩和防滲墻建設(shè)信息、地基和防滲墻的工程特性、防滲墻力學(xué)性狀等信息。工程實(shí)例涉及的壩型包括面板堆石壩、斜墻壩、斜心墻壩、心墻壩和均質(zhì)壩，其中面板堆石壩和心墻壩為主要壩型，占比均為37.2%。根據(jù)不同壩型壩基防滲墻的布置特點(diǎn)和實(shí)際位置，本文將壩基防滲墻的位置主要?jiǎng)澐譃閮深?lèi)，即上游壩基防滲墻（包括面板堆石壩和斜墻壩壩基防滲墻）和中部壩基防滲墻（包括心墻壩和均質(zhì)壩壩基防滲墻）。對(duì)于斜心墻壩，雖然其防滲墻位于中部壩基偏上位置，但是其受力和工作特點(diǎn)與心墻壩防滲墻較為相似，同時(shí)該類(lèi)壩型實(shí)例數(shù)較少，因此本文將斜心墻壩防滲墻也歸類(lèi)為中部壩基防滲墻。收集的工程實(shí)例大壩的高度范圍為35.4～186 m，大部分大壩高度在50～125 m之間。根據(jù)不同實(shí)例河谷的實(shí)際形狀，本文將河谷的形狀分為兩類(lèi)，即V型和U型。大部分實(shí)例壩基覆蓋層的厚度為30～80 m，礫石、砂礫石、細(xì)砂等是覆蓋層的主要組成材料。覆蓋層平均干密度（ρd）、平均地基承載力（f）、平均變形模量（E0）的范圍分別為2.0～2.2 g/cm3、0.40～0.60 MPa、40～65 MPa。除了10個(gè)懸掛式防滲墻實(shí)例外，其余實(shí)例均貫入基巖或相對(duì)不透水層，防滲墻實(shí)例的深度范圍為13.4～131 m。9個(gè)防滲墻工程實(shí)例為塑性混凝土防滲墻，其余實(shí)例采用常規(guī)混凝土澆筑。

實(shí)例數(shù)據(jù)庫(kù)分別收集了防滲墻竣工期和蓄水期的水平位移和蓄水期防滲墻頂部沉降，同時(shí)收集了部分防滲墻下游面相鄰?fù)馏w表面的蓄水期沉降變形。防滲墻頂部沉降和相鄰壩基表面沉降主要采用水管式沉降儀測(cè)量。防滲墻水平位移主要通過(guò)安裝在防滲墻上的固定式測(cè)斜儀測(cè)量。

防滲結(jié)構(gòu)首要關(guān)注的是其滲漏控制特性。由于很難評(píng)價(jià)壩體以下深厚可透水地基的滲漏特性，因此基于實(shí)例數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)防滲墻防滲性能的研究較少[14]。為評(píng)價(jià)防滲墻滲流控制特性，表1收集了部分工程的大壩長(zhǎng)期滲漏量。由表1可知，除九甸峽大壩和Arminous大壩的滲漏量分別達(dá)到136和130 L/s外，大部分實(shí)例的長(zhǎng)期滲漏量不大于60 L/s。兩者較大的滲漏量主要由九甸峽大壩較大的壩高和覆蓋層厚度及Arminous大壩防滲墻垂直縫開(kāi)裂和侵蝕引起。Won等[29]基于27個(gè)基巖上面板堆石壩長(zhǎng)期滲漏量觀測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)大壩高度小于125 m 時(shí)，滲漏量基本小于50 L/s。從滲漏經(jīng)濟(jì)性的角度來(lái)說(shuō)，土石壩每秒幾十升的滲漏量基本不會(huì)對(duì)水庫(kù)的經(jīng)濟(jì)性造成影響[29]。從本文實(shí)例的滲漏量監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，各滲漏量輕微大于基巖上面板堆石壩滲漏量的一般觀測(cè)結(jié)果，但是總體在可接受范圍之內(nèi)，特別是壩高小于125 m的大壩。上述結(jié)果表明覆蓋層壩基防滲墻可以有效控制地基滲流。

2.3 防滲墻受力分析防滲墻承受水平和垂直荷載的聯(lián)合作用，進(jìn)而呈現(xiàn)復(fù)雜的力學(xué)性狀。大部分影響防滲墻力學(xué)性狀的荷載均很難觀測(cè)和確定。上游壩基防滲墻和中部壩基防滲墻的受力特點(diǎn)存在明顯差異，圖2為在邊界約束作用下防滲墻蓄水期的受力示意圖。

側(cè)土壓力和孔隙水壓力是防滲墻的主要水平荷載?？紫端畨毫χ苯尤Q于滲流自由面的高低，主要發(fā)生在開(kāi)始蓄水之后。側(cè)土壓力主要由覆蓋層地基的水平位移引起，與壩體的攤鋪碾壓直接相關(guān)。側(cè)土壓力沿著防滲墻高度方向呈現(xiàn)非線性分布。Li等[20]建立了剛性墻上側(cè)土壓力合力的量化計(jì)算方法，然而只能用于剛性墻和柔性堤基，無(wú)法適用于土石壩地基防滲墻。

垂直荷載主要包括墻體自重、墻頂垂直土壓力、摩阻力和墻頂水壓力。壩體填筑和自重作用在防滲墻頂部促使防滲墻承受垂直土壓力，該壓力一般存在于中部壩基防滲墻中。而壩頂水壓力是指庫(kù)水作用在防滲墻頂部的水壓力，主要存在于上游壩基防滲墻。由于防滲墻混凝土材料的壓縮性明顯小于相鄰?fù)馏w，在頂部壓力作用下防滲墻和相鄰?fù)馏w之間存在沉降差異，進(jìn)而在防滲墻上下游面引起摩阻力。工程實(shí)例觀測(cè)結(jié)果表明，心墻壩防滲墻的垂直應(yīng)力通常大于其承受的上部垂直土壓力[14]，而與防滲墻相鄰的土體中實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力通常小于上部覆蓋層的土柱壓力[20]。這些結(jié)果表明，作用于防滲墻上的摩阻力是影響墻體力學(xué)性狀的關(guān)鍵荷載。Dascal[15]分析Manic 3心墻壩防滲墻的應(yīng)力結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該防滲墻85%的垂直應(yīng)力是由摩阻力引起的。摩阻力取決于防滲墻和相鄰?fù)馏w的相對(duì)沉降和測(cè)土壓力。防滲墻相對(duì)于相鄰?fù)馏w向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)促使防滲墻上部承受向下的摩阻力。沿著深度方向，墻體和土體的相對(duì)位移逐漸減小，摩阻力也相應(yīng)減小。防滲墻的沉降變形由壓縮變形和剛體位移組成，因此防滲墻底部向下位移可能大于相鄰?fù)馏w。防滲墻承受的向下摩阻力在墻體和相鄰?fù)馏w向下位移相等的位置（中性點(diǎn)）減小為零。中性點(diǎn)以下相鄰?fù)馏w的沉降通常小于防滲墻的沉降，此時(shí)防滲墻承受的摩阻力轉(zhuǎn)為向上的方向。此外，壩體施工期，上游壩基防滲墻上游面的相鄰?fù)馏w可能相對(duì)墻體向上移動(dòng)[23]，此時(shí)防滲墻承受向上的摩阻力，如圖2所示。

表1 混凝土防滲墻工程實(shí)例建設(shè)信息和力學(xué)性狀監(jiān)測(cè)資料數(shù)據(jù)庫(kù)

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圖2 蓄水期防滲墻受力示意

3 混凝土防滲墻水平位移統(tǒng)計(jì)分析

3.1 防滲墻水平位移典型分布規(guī)律圖3為若干實(shí)例最大水平位移隨時(shí)間的變化過(guò)程。圖3中為了統(tǒng)一不同工程的建設(shè)階段以使數(shù)據(jù)具有更好的比較性，將所有實(shí)例蓄水開(kāi)始時(shí)間對(duì)齊，作為參考時(shí)間。蓄水開(kāi)始之前，防滲墻的水平位移隨著大壩的填筑逐漸增加，但是變形速率逐漸減小。大約70%的竣工期防滲墻水平位移發(fā)生在大壩填筑周期前50%的時(shí)間內(nèi)。與中部壩基防滲墻相比，上游壩基防滲墻施工期的水平位移明顯較大。開(kāi)始蓄水后，水壓力促使防滲墻逐漸向下游產(chǎn)生彎曲變形。蓄水完成后，防滲墻的水平位移逐漸趨于穩(wěn)定。在時(shí)效變形作用下，土石壩的變形通常需要10～20年才會(huì)趨于穩(wěn)定[29]，壩體時(shí)效變形與筑壩材料的力學(xué)特性、河谷形狀和壩體建設(shè)方法等有關(guān)。由圖3可知，蓄水階段引起防滲墻向下游的水平位移占最終變形的90%以上，說(shuō)明壩體和地基長(zhǎng)期變形對(duì)防滲墻變形特性的影響較小。圖4為中間剖面實(shí)測(cè)水平位移分布。由圖4可知，竣工期和蓄水期防滲墻水平位移均從底部向頂部逐漸增加，由于底部和兩岸受基巖的約束作用，防滲墻的最大水平位移發(fā)生在頂部中間部位?？⒐て诜罎B墻主要向上游變形，蓄水期主要向下游變形，蓄水期的水平位移相對(duì)竣工期總體相對(duì)較大。

3.2 防滲墻水平位移統(tǒng)計(jì)分析圖5為43個(gè)實(shí)例最大水平位移與防滲墻高度的相關(guān)關(guān)系。竣工期防滲墻主要向上游變形，而蓄水期主要向下游變形。若干中部壩基防滲墻竣工期呈現(xiàn)向下游的變形，主要原因是這些防滲墻的軸線在壩軸線偏下游的位置。上游壩基防滲墻竣工期和蓄水期的最大水平位移分別為2.0～13.5 cm和3.0～10 cm，中部壩基防滲墻相應(yīng)的位移分別為1.0～3.5 cm和4.5～10 cm。然而，若干防滲墻實(shí)例，比如九甸峽、Manic-3和小浪底蓄水期呈現(xiàn)較大的水平位移，分別為20.3、28.5和20 cm。其可能原因分別是較低覆蓋層變形模量、超深覆蓋層厚度和較大壩高。

圖3 若干防滲墻實(shí)例實(shí)測(cè)最大水平位移隨時(shí)間變化過(guò)程

圖4 若干防滲墻實(shí)例中間剖面實(shí)測(cè)最大水平位移分布（EOC指竣工期結(jié)果）

由圖5可知，防滲墻水平位移呈現(xiàn)隨防滲墻深度增加而增加的趨勢(shì)。所有實(shí)例最大水平位移不超過(guò)0.3%D。上游壩基防滲墻竣工期向上游水平位移的平均值為0.14%D，變形主要在0.07%D～0.20%D之間，而蓄水期向下游水平位移的平均值0.17%D，主要范圍為0.05%D～0.35%D，兩者較為接近。上述較大范圍主要由未詳細(xì)區(qū)分防滲墻變形的其他影響因素引起。中部壩基防滲墻竣工期向下游水平位移的平均值為0.04%D，變形主要在0.02%D～0.07%D之間，而蓄水期向下游水平位移的平均值0.15%D，主要范圍為0.05%D～0.28%D，竣工變形顯著小于蓄水期向下游方向的水平位移。由上述結(jié)果可知，上游壩基防滲墻和中部壩基防滲墻蓄水期的水平位移較為接近，但是竣工期上游壩基防滲墻水平位移較大（平均大0.10%D）。上述結(jié)果表明，相比較于深度，防滲墻位置是影響墻體變形特性的關(guān)鍵因素。防滲墻承受水平荷載的不同是造成上述結(jié)果的主要原因。對(duì)于中部壩基防滲墻，壩體竣工期防滲墻兩側(cè)壩基的水平位移較小，作用在防滲墻上下游面的側(cè)土壓力較小且基本對(duì)稱(chēng)，但是上游壩基防滲墻竣工期承受較大的來(lái)自下游側(cè)土體向上游的推力，因此上游壩基防滲墻產(chǎn)生較大的水平位移。上下游側(cè)孔隙水壓力差是引起蓄水期防滲墻產(chǎn)生較大向下游方向水平位移的主要原因。另外由圖5可知，塑性混凝土防滲墻和常規(guī)混凝土防滲墻的水平位移沒(méi)有明顯差異，這主要是因?yàn)椴煌牧戏罎B墻均難以抵抗相鄰?fù)馏w水平位移引起的推力，進(jìn)而產(chǎn)生與相鄰?fù)馏w水平位移較為一致的變形。此時(shí)由于防滲墻材料差異，不同材料防滲墻的應(yīng)力狀態(tài)將存在顯著差異。

圖5 43個(gè)防滲墻實(shí)例最大水平位移與墻體深度相關(guān)關(guān)系（圖中符號(hào)同表1）

圖6為防滲墻相對(duì)水平位移（水平位移與防滲墻深度的比值）與防滲墻相對(duì)深度（防滲墻深度與壩高的比值）的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明，不同位置防滲墻竣工期和蓄水期的相對(duì)水平位移均隨防滲墻相對(duì)深度的增加而減小；雖然防滲墻的絕對(duì)變形可能隨著墻體相對(duì)深度而增加，但是其相對(duì)變形卻發(fā)生減小。若干懸掛式防滲墻實(shí)例在趨勢(shì)線范圍之外，由于所受約束條件的變化，這些實(shí)例產(chǎn)生較大的水平位移。

圖6 防滲墻相對(duì)水平位移與其相對(duì)深度相關(guān)關(guān)系

4 混凝土防滲墻沉降統(tǒng)計(jì)分析

4.1 防滲墻沉降典型分布規(guī)律防滲墻的沉降變形取決于其自生材料特性及作用于其上的垂直荷載。圖7為若干防滲墻實(shí)例頂部最大沉降隨時(shí)間的變化過(guò)程和頂部沉降分布。由圖7（a）可知對(duì)于中部壩基防滲墻，施工期隨著頂部垂直土壓力的連續(xù)增加，其沉降變形快速增加，但是變形速率逐漸減小。蓄水引起中部壩基防滲墻一定的沉降變形增量，但是其引起的變形增量和速率小于施工期的變形增量和速率。中部壩基防滲墻沉降變形的80%以上發(fā)生在施工階段，水荷載對(duì)防滲墻沉降變形的影響較小。而上游壩基防滲墻施工期底部沉降較小，蓄水后才開(kāi)始產(chǎn)生一定的沉降變形。圖7（b）表明中部壩基防滲墻的沉降變形明顯大于上游壩基防滲墻。其在頂部中間部位產(chǎn)生較大沉降變形。

圖7 若干防滲墻實(shí)例頂部沉降變形規(guī)律

由表1、圖3、圖4和圖7可知，在壩高、地基條件及防滲墻位置和材料較為一致的情況下，U型河谷中修建的防滲墻水平位移和沉降變形比V型河谷中的防滲墻較大。比如U型河谷中察汗烏蘇面板堆石壩防滲墻蓄水期最大水平位移比V型河谷中苗家壩防滲墻水平位移大3 cm，上述兩個(gè)工程具有相似的其他工程建設(shè)條件。其他條件類(lèi)似情況下，萬(wàn)安防滲墻蓄水期最大頂部沉降比Big Hotn防滲墻大2.4 cm。V型河谷對(duì)防滲墻更加顯著的約束作用引起上述變形減小。如表1所示，從多個(gè)工程的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，河谷形狀對(duì)防滲墻變形特性的影響程度相對(duì)防滲墻位置較小。

圖8 防滲墻實(shí)例頂部最大沉降與深度相關(guān)關(guān)系（圖中符號(hào)同表1）

圖9 蓄水期防滲墻最大沉降和最大水平位移比較（圖中符號(hào)同表1）

4.2 防滲墻沉降統(tǒng)計(jì)分析圖8為43個(gè)防滲墻實(shí)例頂部最大沉降與防滲墻深度之間的相關(guān)關(guān)系。對(duì)于常規(guī)混凝土防滲墻，上游壩基防滲墻和中部壩基防滲墻蓄水期最大頂部沉降范圍分別為0.5～2.5 cm和2.0～15 cm。大部分中部壩基防滲墻的頂部最大沉降變形在0.10%D～0.24%D之間（平均值為0.17%D），該范圍顯著大于上游壩基防滲墻0.02%D～0.05%D（平均值為0.04%D）的頂部沉降。中部壩基防滲墻較大的頂部沉降主要是由其承受的垂直土壓力和摩阻力引起。中部壩基塑性混凝土防滲墻的頂部最大沉降范圍為0.18%D～0.66%D，平均沉降值為0.36%D，是常規(guī)混凝土防滲墻的2倍。塑性混凝土防滲墻產(chǎn)生較大沉降的主要原因是其剛度較小，可以與覆蓋層產(chǎn)生基本一致的變形。上述結(jié)果表明，除防滲墻位置以外，防滲墻材料是影響墻體變形特性的另一個(gè)重要因素。

圖9對(duì)防滲墻蓄水期最大水平位移和最大沉降變形結(jié)果進(jìn)行了比較。蓄水期，上游壩基防滲墻的水平位移將近是沉降變形的5倍，說(shuō)明上游壩基防滲墻主要承受彎曲效應(yīng)，產(chǎn)生較大水平位移。中部壩基常規(guī)混凝土防滲墻蓄水期頂部最大沉降大約為水平位移的1.4倍，塑性混凝土防滲墻頂部沉降相對(duì)水平位移的比值比常規(guī)混凝土防滲墻更大，說(shuō)明蓄水期中部壩基防滲墻同時(shí)產(chǎn)生較大水平位移和沉降變形，而且沉降變形相對(duì)較大。上述結(jié)果表明，防滲墻不同的受力特點(diǎn)引起明顯不同的變形響應(yīng)，上游壩基防滲墻主要產(chǎn)生彎曲效應(yīng)，而中部壩基防滲墻主要產(chǎn)生壓縮效應(yīng)。

圖10 蓄水期覆蓋層和防滲墻相對(duì)沉降與土石壩和地基變形模量分類(lèi)的相關(guān)關(guān)系（L，E0＜50MPa；M，E0=50～55MPa；MH，E0=55～60MPa；VH，E0＞60MPa；圖中其他符號(hào)同表1）

防滲墻與相鄰?fù)馏w之間的相對(duì)沉降直接影響防滲墻上下游側(cè)面承受的摩阻力。圖10為覆蓋層和防滲墻相對(duì)沉降（蓄水期墻體下游相鄰覆蓋層頂部最大沉降與防滲墻頂部最大沉降的比值）與土石壩類(lèi)型和地基變形模量分類(lèi)的相關(guān)關(guān)系。覆蓋層和常規(guī)混凝土防滲墻的相對(duì)沉降隨著墻體位置靠近壩基中部而逐漸增加。覆蓋層和中部壩基防滲墻的相對(duì)沉降為5～7，大于覆蓋層與上游壩基防滲墻的相對(duì)沉降值3～5。覆蓋層和中部壩基防滲墻的相對(duì)沉降大約為覆蓋層與上游壩基防滲墻相對(duì)沉降的1.5倍。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因與防滲墻的受力特點(diǎn)有關(guān)，中部壩基承受明顯較大的垂直土壓力，因此產(chǎn)生較大的沉降變形。覆蓋層和中部壩基防滲墻較大的相對(duì)沉降將在防滲墻表面引起顯著的摩阻力，這也是中部壩基防滲墻容易產(chǎn)生壓縮破壞的主要原因。此外，由圖10（a）可知，覆蓋層與塑性混凝土防滲墻的相對(duì)沉降只有1～2，說(shuō)明由于塑性混凝土彈性模量較小，塑性混凝土防滲墻可以與相鄰?fù)馏w保持較為一致的變形。防滲墻和相鄰?fù)馏w共同承載上部垂直土壓力。與常態(tài)混凝土防滲墻相比，作用在塑性混凝土防滲墻上的摩阻力將顯著減小。圖10（b）表明覆蓋層與中部和上游壩基防滲墻的相對(duì)沉降均隨著地基變形模量的增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，其中中部壩基防滲墻相對(duì)沉降較上游壩基防滲墻總體較大，相對(duì)沉降隨著地基變形模量增加而減小的趨勢(shì)也更加明顯。防滲墻和覆蓋層的相對(duì)剛度可以通過(guò)兩者的相對(duì)位移顯著影響防滲墻承受的摩阻力。地基變形模量越大越有利于改善防滲墻的受力狀態(tài)。

下面對(duì)覆蓋層變形特性對(duì)防滲墻力學(xué)性狀的影響開(kāi)展進(jìn)一步分析。圖11為中部壩基防滲墻蓄水期頂部最大沉降與覆蓋層變形模量的相關(guān)關(guān)系。隨著覆蓋層地基變形模量的增加，防滲墻頂部沉降呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。L 強(qiáng)度地基中防滲墻的歸一化頂部沉降平均為MH強(qiáng)度地基中防滲墻沉降的2.9倍。當(dāng)覆蓋層和防滲墻的相對(duì)剛度較小時(shí)，兩者產(chǎn)生較小的相對(duì)沉降，進(jìn)而可以減小防滲墻承受的摩阻力，使防滲墻產(chǎn)生較小的沉降變形。酈能惠[19]通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析覆蓋層地基變形特性對(duì)面板堆石壩防滲墻力學(xué)性狀的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)覆蓋層的變形模型直接影響防滲墻變形性狀，變形性狀與覆蓋層變形模型呈現(xiàn)反比例關(guān)系，覆蓋層剛度的提高有助于改善防滲墻的應(yīng)力狀態(tài)。上述結(jié)果表明，防滲墻和覆蓋層的相對(duì)剛度對(duì)防滲墻的力學(xué)性狀具有一定影響。實(shí)際工程修建防滲墻之前往往需要對(duì)覆蓋層進(jìn)行密實(shí)處理，使地基變形模量達(dá)到一定的要求，此時(shí)不同地基變形模量差異并不突出，削弱了地基變形特性對(duì)防滲墻力學(xué)特性的影響。

圖11 中部壩基防滲墻蓄水期頂部最大沉降與覆蓋層變形模量的相關(guān)關(guān)系

5 混凝土防滲墻應(yīng)力分析

為分析防滲墻的應(yīng)力分布規(guī)律，本文收集若干防滲墻實(shí)例蓄水期實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力分布（圖12）。圖中表明，大部分防滲墻承受的垂直應(yīng)力為壓應(yīng)力，中部壩基防滲墻的垂直應(yīng)力明顯大于上游壩基防滲墻。下板地防滲墻垂直應(yīng)力較小，主要因其采用的是塑性混凝土。塑性混凝土防滲墻的垂直應(yīng)力一般只有常規(guī)混凝土防滲墻的1/10～1/15[19]。由圖12可知，垂直應(yīng)力從防滲墻頂部到某一深度逐漸增加，之后向底部逐漸減小。上游壩基防滲墻和中部壩基防滲墻的最大垂直應(yīng)力大約為5～20 MPa和15～25 MPa，最大值主要發(fā)生在防滲墻頂部以下0.6～0.9倍防滲墻深度位置。其原因是，防滲墻承受的摩阻力沿著深度方向逐漸累積增加，到中性點(diǎn)位置附近承受的垂直荷載達(dá)到最大，引起較大的垂直應(yīng)力。河谷形狀對(duì)最大應(yīng)力位置有一定影響。由實(shí)例結(jié)果可知，V型河谷中大部分垂直荷載通過(guò)河谷傳遞給兩岸，致使防滲墻底部承受的壓力減小，最大垂直應(yīng)力的位置向上移動(dòng)。同時(shí)，?由于部分壩體重量荷載通過(guò)河谷拱效應(yīng)傳遞給兩岸，V型河谷防滲墻承受的垂直應(yīng)力總體也較小。實(shí)測(cè)防滲墻應(yīng)力基本在材料允許應(yīng)力范圍之內(nèi)，垂直應(yīng)力分布規(guī)律與已有研究結(jié)果基本一致[23，31-32]。

圖12 若干防滲墻實(shí)例蓄水期下游面中間測(cè)線實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力分布（拉應(yīng)力為正）

為了分析面板堆石壩防滲墻的力學(xué)性狀，作者基于線彈性模型對(duì)苗家壩面板堆石壩常規(guī)混凝土防滲墻開(kāi)展了考慮防滲墻與覆蓋層接觸效應(yīng)的三維有限元數(shù)值分析[23]。數(shù)值模擬真實(shí)考慮防滲墻和壩體的建設(shè)過(guò)程及蓄水過(guò)程。圖13（a）為苗家壩面板堆石壩防滲墻小主應(yīng)力分布。為了分析和對(duì)比不同位置防滲墻的拉應(yīng)力結(jié)果和分布規(guī)律。本文選取文獻(xiàn)[21]中計(jì)算獲得的某中部壩基防滲墻實(shí)例的小主應(yīng)力分布進(jìn)行比較，如圖13（b）所示。該中部壩基防滲墻實(shí)例的建設(shè)信息與苗家壩工程具有較好的相似性。由圖13可知，苗家壩面板堆石壩防滲墻上游面竣工期主要承受壓應(yīng)力，但是在下游面兩岸和底部與基巖接觸部位出現(xiàn)拉伸區(qū)域，承受一定的拉應(yīng)力?？⒐て诜罎B墻大小主應(yīng)力均隨深度的增加而增加，最大值分別為20和1.9 MPa，未超過(guò)材料的允許強(qiáng)度。蓄水期防滲墻彎向下游變形，下游面主要承受壓應(yīng)力，而在上游面兩岸和底部與基巖接觸部位出現(xiàn)拉伸區(qū)域，承受一定的拉應(yīng)力。蓄水期防滲墻最大大小主應(yīng)力值分別為22和2.0 MPa。這些應(yīng)力結(jié)果表明，在受約束的彎曲變形和防滲墻高彈性模型作用下，上游壩基常規(guī)混凝土防滲墻竣工期和蓄水期均承受一定的拉應(yīng)力。上述應(yīng)力分布結(jié)果與中部壩基防滲墻的應(yīng)力分布存在明顯差異。如圖13（b）所示，竣工期和蓄水期中部壩基防滲墻均主要承受壓應(yīng)力，只在竣工期上游面和蓄水期下游面兩岸頂部尖端部位存在一定的拉伸區(qū)域。

圖13 典型防滲墻小主應(yīng)力分布（單位：MPa）

表2為防滲墻實(shí)例垂直應(yīng)力的最大實(shí)測(cè)值。上游壩基防滲墻竣工期和蓄水期均存在較大的拉應(yīng)力，而中部壩基防滲墻主要處于受壓狀態(tài)，只在蓄水期可能產(chǎn)生較小的拉應(yīng)力。上游壩基防滲墻的拉應(yīng)力主要由側(cè)土壓力和孔隙水壓力引起的彎曲效應(yīng)引起，而中部壩基防滲墻壓應(yīng)力主要由外荷載引起的壓縮效應(yīng)引起。此外，下板地和Arminous塑性混凝土防滲墻拉壓應(yīng)力總體小于Taleghan和瀑布溝常規(guī)混凝土防滲墻相應(yīng)拉壓應(yīng)力，表明與常規(guī)混凝土防滲墻相比塑性混凝土防滲墻應(yīng)力相對(duì)較小。

本文收集的防滲墻實(shí)例均未經(jīng)歷地震荷載的作用，因此無(wú)法基于實(shí)例數(shù)據(jù)討論防滲墻的動(dòng)力響應(yīng)特性。如今越來(lái)越多防滲墻修建在高烈度和深厚覆蓋層地基中，因此研究防滲墻的動(dòng)力響應(yīng)至關(guān)重要。周小溪等[30]采用動(dòng)力時(shí)程分析方法計(jì)算了設(shè)計(jì)地震荷載作用下金平大壩防滲墻的動(dòng)力響應(yīng)，結(jié)果表明地震作用引起的動(dòng)位移分布與靜力位移分布規(guī)律基本一致，但動(dòng)力位移明顯較??；防滲墻最大加速度響應(yīng)發(fā)生在頂部中間部位，順河向加速度較其他方向較大。萬(wàn)宇豪等[31]發(fā)現(xiàn)地震荷載可能在防滲墻中引起動(dòng)態(tài)側(cè)向拉應(yīng)力并且由中間向兩岸逐漸增大，同時(shí)在防滲中部引起動(dòng)態(tài)垂直壓應(yīng)力并向兩岸逐漸減小。一般而言，由于防滲墻位于覆蓋層中，其動(dòng)力加速度和位移響應(yīng)均不是非常明顯，地震荷載不會(huì)顯著改變防滲墻的應(yīng)力狀態(tài)。

表2 若干防滲墻工程實(shí)例最大垂直應(yīng)力值 （單位：MPa）

6 防滲墻開(kāi)裂破壞分析

防滲墻建設(shè)最關(guān)注的核心問(wèn)題是施工缺陷和建設(shè)與運(yùn)行過(guò)程中防滲墻的受力開(kāi)裂。施工缺陷和開(kāi)裂將惡化滲流控制系統(tǒng)，引起滲漏損失。已有觀測(cè)結(jié)果表明，防滲墻實(shí)例可能存在施工縫、骨料分離、混凝土夾雜土壤、防滲墻空洞等多種形式的施工缺陷[27]。施工方法和材料選擇不當(dāng)是引起防滲墻的施工缺陷的主要原因。

當(dāng)防滲墻的壓應(yīng)力或者拉應(yīng)力超過(guò)材料允許強(qiáng)度時(shí)，防滲墻可能產(chǎn)生開(kāi)裂或失效破壞。Rice等[10]發(fā)現(xiàn)在上下游側(cè)面的孔隙水壓力差作用下上部壩基防滲墻就可能產(chǎn)生開(kāi)裂，其中防滲墻和基巖的接觸部位是最可能產(chǎn)生開(kāi)裂的位置。表3收集了7個(gè)防滲墻工程實(shí)例的失效或開(kāi)裂信息。結(jié)果表明，心墻壩防滲墻的失效模式主要為壓縮破壞，失效部位主要發(fā)生在防滲墻底部。防滲墻承受的摩阻力和上部垂直土壓力是引起防滲墻內(nèi)部過(guò)大壓縮應(yīng)力的主要原因。Yu等[21]分析中部壩基防滲墻的拉伸損傷特性發(fā)現(xiàn)，中部壩基防滲墻主要可能在頂部?jī)蓚?cè)尖端部位產(chǎn)生一定的拉伸損傷區(qū)域，但是拉伸損傷因子較小，往往不足以引起開(kāi)裂破壞。

表3 混凝土防滲墻失效或開(kāi)裂的若干典型實(shí)例

由表3可知，面板堆石壩和斜墻壩壩基防滲墻的主要失效模式為拉伸或剪切失效，開(kāi)裂部位主要發(fā)生在防滲墻與基巖接觸的頂部或底部。防滲墻彎曲變形和覆蓋層向中間變形引起的防滲墻兩岸拉應(yīng)力是造成上游壩基防滲墻拉伸或剪切失效的主要原因。上述結(jié)果與Brown 等[14]認(rèn)為在彎曲作用下防滲墻水力開(kāi)裂更加可能發(fā)生在上游壩基防滲墻中的結(jié)論是一致的。此外，Arminou塑性混凝土防滲墻也觀測(cè)到垂直縫侵蝕和開(kāi)裂，但是該防滲墻開(kāi)裂是由材料內(nèi)部侵蝕造成的，一般而言塑性混凝土防滲墻工程實(shí)例較少產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性開(kāi)裂失效。

7 結(jié)論

本文基于43個(gè)防滲墻工程實(shí)例對(duì)防滲墻水平位移、頂部沉降、覆蓋層和防滲墻相對(duì)沉降及應(yīng)力和開(kāi)裂等力學(xué)性狀開(kāi)展統(tǒng)計(jì)研究。同時(shí)分析了防滲墻位置、墻體材料、地基變形特性和河谷形狀等因素對(duì)墻體力學(xué)性狀的影響。本文獲得的主要結(jié)論如下：（1）壩體施工期防滲墻一般彎向上游，產(chǎn)生向上游的位移，而蓄水期向下游變形，最大變形發(fā)生在頂部中間部位。中部壩基防滲墻竣工期產(chǎn)生較大的沉降變形，蓄水期同時(shí)發(fā)生較大的水平位移；而上游壩基防滲墻竣工期和蓄水期主要產(chǎn)生水平位移，沉降變形相對(duì)較小。（2）中部壩基防滲墻主要產(chǎn)生壓縮效應(yīng)，處于受壓狀態(tài)，可能在防滲墻底部產(chǎn)生壓縮失效；而上游壩基防滲墻主要產(chǎn)生彎曲效應(yīng)，防滲墻較大范圍處于受拉狀態(tài)，容易在底部或兩岸與基巖接觸部位產(chǎn)生剪切或拉伸破壞。（3）防滲墻的位置是影響墻體力學(xué)特性最關(guān)鍵的因素，其對(duì)墻體位移和應(yīng)力均具有顯著的影響；防滲墻材料對(duì)墻體沉降和應(yīng)力分布影響顯著，防滲墻的受力狀態(tài)可以通過(guò)采用塑性混凝土材料得到較大的改善；防滲墻深度也對(duì)墻體力學(xué)特性產(chǎn)生較大影響，但是相對(duì)墻體位置和材料，影響相對(duì)較??；此外，河谷形狀和地基變形特性對(duì)防滲墻力學(xué)特性具有一定的影響。與U型河谷相比，修建在V型河谷中的防滲墻，其應(yīng)力和變形有所減小。減小防滲墻和覆蓋層的相對(duì)剛度可以減小墻體的變形，并改善其應(yīng)力狀態(tài)，但是河谷形狀和地基變形特性對(duì)防滲墻力學(xué)特性的影響程度總體相對(duì)較小。