土石壩防滲墻嵌巖深度對壩體穩(wěn)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(wù)中心，山東 濟(jì)南 250100；2.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)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(guī)律以及防滲墻的設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化研究。劉菊蓮[1]基于ANSYS數(shù)值有限元研究了防滲墻對某水庫地下滲流場影響規(guī)律。結(jié)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(xiàn)出減小的規(guī)律，但厚度超過1.5m后降幅趨于0。支永艷等[2]基于數(shù)值計算系統(tǒng)的研究了深厚覆蓋層混凝土防滲墻深度確定方法。結(jié)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(nèi)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(diǎn)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(wěn)定要求。王正成等[3]基于流固耦合理論系統(tǒng)的研究了水庫垂直防滲墻合理深度的確定方法。結(jié)果表明，防滲墻的貫入度為0.6時為水庫防滲墻的最優(yōu)深度。實際工程中防滲墻的最優(yōu)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(yōu)深度的確定方法。結(jié)果表明，防滲墻深度取40.5m時為最優(yōu)深度。劉奉銀等[5]基于數(shù)值計算分析了防滲墻深度對大壩滲流穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，閉式防滲墻可以有效控制滲流場，對邊坡穩(wěn)定性的提高具有積極影響。

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

2 數(shù)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(shù)值模型中網(wǎng)格劃分均采用四邊形單元。巖土體本構(gòu)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(shè)置了Goodman接觸單元。最終模型的網(wǎng)格總數(shù)為15780個，節(jié)點(diǎn)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(nèi)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(shù)值計算模型參數(shù)

根據(jù)室內(nèi)土工試驗及參考相關(guān)類似材料研究，本文匯總得到本文數(shù)值計算各材料的滲透系數(shù)見表1。對應(yīng)材料的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 各材料滲透系數(shù)匯總 單位：cm/s

表2 材料物理力學(xué)參數(shù)匯總

3 結(jié)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(guī)律如圖2所示。

圖2 嵌固段深度2m對應(yīng)壩體浸潤線

結(jié)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(dāng)設(shè)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(dá)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(guī)律

為研究防滲墻嵌固深度對大壩穩(wěn)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(guī)律。單寬滲流量隨防滲墻嵌巖深度變化的規(guī)律如圖3所示。

圖3 嵌固段深度和單寬流量關(guān)系

結(jié)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(dá)到最大，最大值為7.5×10-4m3/s；當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dǎo)致施工成本明顯增大，根據(jù)本文的研究，在滿足規(guī)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(yōu)選擇。

3.2 防滲墻底部滲透坡降變化規(guī)律

防滲墻底部滲流坡降與嵌固段深度的關(guān)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(guān)系

結(jié)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(dá)到最大，最大值為58；當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)嵌巖深度大于10m時，滲流坡降變化速率顯著增大。出現(xiàn)這一現(xiàn)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(dǎo)致滲流速度變大，進(jìn)而導(dǎo)致局部水頭損失的滲流坡降上升。尤其是當(dāng)防滲墻深度足夠大，接近于弱風(fēng)化基巖時，滲透坡降變化速率明顯發(fā)生突變。綜合本文的分析，嵌巖段深度2～10m為最優(yōu)。

3.3 壩腳逸出點(diǎn)滲透坡降

坡腳溢出點(diǎn)坡降與防滲墻嵌巖深度的變化關(guān)系如圖5所示。

圖5 坡腳溢出點(diǎn)坡降與防滲墻嵌巖深度的關(guān)系

結(jié)果表明，在防滲墻厚度不變的情況下，坡腳溢出點(diǎn)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(diǎn)坡降越大。其中當(dāng)防滲墻厚度為0.6m，嵌巖深度為0m時，坡腳溢出點(diǎn)坡降為最大值0.15；當(dāng)防滲墻厚度為0.6m，嵌巖深度為2m時，坡腳溢出點(diǎn)坡降值0.06；當(dāng)防滲墻厚度為0.6m，嵌巖深度為4m時，坡腳溢出點(diǎn)坡降值0.043；當(dāng)防滲墻厚度為0.6m，嵌巖深度為6m時，坡腳溢出點(diǎn)坡降值0.04；當(dāng)防滲墻厚度為0.6m，嵌巖深度為8m時，坡腳溢出點(diǎn)坡降值0.023；當(dāng)防滲墻厚度為0.6m，嵌巖深度為10m時，坡腳溢出點(diǎn)坡降值0.017；當(dāng)防滲墻厚度為0.6m，嵌巖深度為12m時，坡腳溢出點(diǎn)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(diǎn)坡降減小速率顯著降低。出現(xiàn)這一現(xiàn)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(dǎo)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(diǎn)坡降均比規(guī)范規(guī)定的允許值要小。但一味地追求降低坡腳溢出點(diǎn)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(dǎo)致應(yīng)力集中及剛性變形，對壩體的穩(wěn)定性產(chǎn)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(xué)合理。

墻后水頭與防滲墻嵌巖深度的變化關(guān)系如圖6所示。

圖6 墻厚水頭與防滲墻嵌巖深度的關(guān)系

結(jié)果表明，在防滲墻厚度不變的情況下，坡腳溢出點(diǎn)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?？傮w來看，厚度不同的防滲墻對應(yīng)的水頭下降幅度高達(dá)10%，其中防滲墻厚度為0.8m，嵌巖深度為2m下對應(yīng)的墻后水頭為12m，比最大水頭降低20%，對于防滲墻的設(shè)計最優(yōu)。

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬系統(tǒng)的研究了混凝土防滲墻嵌巖深度和厚度對大壩滲流穩(wěn)定性的影響。得到如下幾點(diǎn)結(jié)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(jù)本文的研究，在滿足規(guī)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(yōu)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(dǎo)致滲流速度變大，進(jìn)而導(dǎo)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(yōu)。

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