防滲墻施工缺陷對土石壩滲流與穩(wěn)定的影響分析

周清勇 劉智 洪文浩 熊磊

摘要：防滲墻作為土石壩的重要隱蔽工程，其施工質(zhì)量直接影響防滲墻的功效，關乎大壩運行安全。結(jié)合工程案例，采用有限元法分析了防滲墻不同施工缺陷對大壩滲流穩(wěn)定的影響，如防滲墻存在初始裂縫、材料滲透系數(shù)不足和墻體懸掛深度不夠等。分析結(jié)果表明：當防滲墻潛在裂縫位于壩體土層或強風化層時，結(jié)構(gòu)可能發(fā)生局部滲透破壞或整體壩坡失穩(wěn);當防滲墻滲透系數(shù)與壩體土層的防滲系數(shù)相近時，大壩抗滑安全系數(shù)小于允許值，壩體浸潤線偏高將影響結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定;當防滲墻懸掛深度僅到強風化層時，壩底滲流路徑縮短，滲流量增大導致大壩抗滑安全系數(shù)偏小，不滿足結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定要求。因此，在實際工程中，應嚴控施工工藝，防止防滲墻出現(xiàn)質(zhì)量缺陷，從而保障大壩安全運行。

關鍵詞：防滲墻缺陷;有限元法;初始裂縫;滲透系數(shù);墻體懸掛深度;滲流穩(wěn)定;土石壩

中圖法分類號：TV543.8

文獻標志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.05.005

1 研究背景

混凝土防滲墻作為土石壩工程防滲體系的關鍵組成部分，在工程的除險加固中應用極為廣泛[1]，其材料質(zhì)量和施工工藝直接關系到結(jié)構(gòu)的滲流穩(wěn)定性能，進而影響工程的運行安全。由于防滲墻屬于地下隱蔽工程，通常深夾于壩體或覆蓋層之下，施工時長期處于水下澆筑狀態(tài)，施工工藝復雜，因此施工質(zhì)量通常難以得到保障，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)難以達標、局部懸掛深度不足、墻體厚薄不均等現(xiàn)象。盛金昌等[2]通過分析混凝土防滲墻開裂對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)的位置對大壩滲流影響。段芳[4]對不同水位情況下有無防滲墻缺陷的壩體進行有限元數(shù)值模擬。李宏恩等[5]利用降低材料彈性模量對防滲墻的施工缺陷進行了應力變形的影響數(shù)值模擬。黃辰杰等[6]以室內(nèi)砂槽模型試驗為背景模擬懸掛式防滲墻的貫人深度對滲透變形的影響。劉娜等[71結(jié)合某工程實例分析了懸掛式防滲墻質(zhì)量缺陷對土石壩滲流控制效果的影響，得出了懸掛式防滲墻若出現(xiàn)缺陷對壩體滲流形態(tài)有較大影響的結(jié)論。

國內(nèi)學者針對防滲墻出現(xiàn)裂縫及處理分析做了一定的研究[8-11]，但有關施工缺陷對大壩滲流控制的影響研究相對較少。本文結(jié)合工程實際案例，基于飽和一非飽和滲流理論，采用有限元法分析不同防滲墻施工缺陷對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)不足和墻體懸掛深度不夠等不同缺陷時大壩滲流與穩(wěn)定的性態(tài)變化規(guī)律。采用極限平衡上限解分析，該有限元法軟件是由加拿大巖土軟件開發(fā)商GEO-SLOPE公司面向巖土、水利、交通、地質(zhì)、環(huán)境工程等領域開發(fā)的一套仿真分析軟件。

2 工程及試驗基本情況

2.1 工程概況

水庫位于江西省樂安河支流車溪水中游，屬鄱陽湖水系饒河流域，壩址以上控制流域面積155 km2，正常蓄水位64.40 m，多年平均庫水位60.98 m，總庫容1.437億m3，是一座以灌溉、供水為主，兼顧防洪、發(fā)電等綜合效益的大（2）型水庫。大壩為黏土斜墻壩，壩頂高程71.10 m，壩頂長492.00 m，壩頂寬10.00 m，最大壩高34.20 m。大壩除險加固前，據(jù)工程地勘資料可知，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;斜墻土滲透系數(shù)不能滿足規(guī)范要求，其土體結(jié)構(gòu)較疏松，抗剪強度偏低;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;除險加固時對大壩壩身采用混凝土防滲心墻處理。因工程為大型水庫，對大壩混凝土防滲心墻成墻施工質(zhì)量控制要求嚴格，即嚴控施工工藝，防止出現(xiàn)施工質(zhì)量缺陷。

2.2 有限元模型與材料參數(shù)

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)點數(shù)5 074個，單元數(shù)4 915個，有限元模型示意見圖1。計算模型共設7個材料分區(qū)（K1-K7），根據(jù)地勘資料及工程經(jīng)驗，各分區(qū)土體材料參數(shù)取值見表1。

2.3 防滲墻無缺陷時滲流穩(wěn)定性能

當工程處于常水位工況下，且防滲心墻的墻體無質(zhì)量缺陷時，結(jié)構(gòu)滲流穩(wěn)定分析的流網(wǎng)圖見圖2。壩體等勢線主要集中于防滲墻內(nèi)，其滲透坡降降幅明顯，位勢下降了50%。分析結(jié)果顯示：黏土斜墻的滲透坡降為0.124，小于允許坡降0.91;防滲墻滲透坡降為29.51，小于允許坡降60;壩體最大滲透坡降為0.165，小于允許坡降0.25。計算可得，常水位工況下大壩最小安全系數(shù)1.772，相比允許值1.35保有足夠裕度。相比類似工程，滲流量控制較好，最近一次加固后大壩滲流穩(wěn)定狀況安全，大壩運行穩(wěn)定。

3 防滲墻施工缺陷影響分析

3.1 防滲墻初始裂縫位置

當混凝土防滲墻存在初始裂縫時，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，導致裂縫進一步加劇[2-13]。本文將初始裂縫做簡化處理分析，假設墻體內(nèi)部存在一個孔洞替代不均勻分布的初始裂縫，孔洞根據(jù)文獻[2-3]取0.10 m，孔洞選取計算斷面下的一孔且單寬0.10 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。工程中與防滲墻墻體接觸的土層主要包括壩體土層、壩基覆蓋層和強風化層及弱風化層，其中弱風化層滲透系數(shù)較小，弱風化帶以下則為不透水層。如圖3所示，假定裂縫位置在壩體土層常水位浸潤線以下（高程54.00 m）、壩基覆蓋層中間（高程40.00 m）和強風化層中間（高程29.00m），總結(jié)分析不同高層墻體出現(xiàn)缺陷時對結(jié)構(gòu)整體滲流穩(wěn)定的影響，分析結(jié)果見表2。

由表2及圖3可知：①防滲墻初始裂縫位于壩體土層（高程54.00 m）時，墻體滲透坡降出現(xiàn)顯著的下降趨勢，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，滲流量未見明顯增大。②防滲墻裂縫位于壩基覆蓋層（高程40.00 m）時，壩體滲透坡降、滲流路徑、滲流量及大壩安全系數(shù)等均與防滲墻無裂縫情況下計算值一致。③防滲墻裂縫位于強風化層（高程29.00 m）時，因強風化層滲透系數(shù)較大，導致大壩最小安全系數(shù)偏低，滲流量偏大，壩體浸潤線的出逸點偏高，對壩坡整體穩(wěn)定不利。

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

3.2 防滲墻滲透系數(shù)變化

滲透系數(shù)對土石壩的滲流穩(wěn)定起到關鍵性作用[14-15]。本文分析大壩加固按設計標準成墻，大壩滲流狀況安全且大壩運行穩(wěn)定。若假定大壩成墻時滲透系數(shù)出現(xiàn)偏差，即考慮滲透系數(shù)為設計標準值10倍、20倍、與斜墻或壩體滲透系數(shù)相近3種情況，則大壩的滲流穩(wěn)定性態(tài)出現(xiàn)明顯的變化。防滲墻滲透系數(shù)在不同情況下的變化見圖4，計算結(jié)果見表3。

由表3及圖4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)隨之降低;當防滲墻滲透系數(shù)與壩體土層滲透系數(shù)相同時，防滲墻不具有防滲效果，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題相符。因而不可隨意改變防滲墻滲透系數(shù)的設計值。

3.3 防滲墻懸掛深度變化

根據(jù)大壩工程經(jīng)驗及相關文獻可知，防滲墻墻體設計深度一般應深入弱風化層以下0.5m，才能起到良好的截滲效果[16-18]。大壩實際施工過程中，因施工工藝原因防滲墻墻體深度可能局部達不到設計值。若假定防滲墻深度僅深入強風化層以下3m，則有限元分析成果見圖5，計算結(jié)果見表4。

由表4及圖5可知：大壩壩體滲透坡降隨防滲墻懸掛深度的減少而降低，壩體內(nèi)防滲墻后的浸潤線出逸點偏高，壩底滲流路徑縮短，滲流量增大，最小安全系數(shù)降低，對大壩整體滲流穩(wěn)定不利。這是因為成墻深入強風化層以下3m時未能將滲流路徑完全切斷，土層滲透系數(shù)偏大。參建各方應嚴控防滲墻懸掛深度的施工質(zhì)量。

4 結(jié)論

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

（2）大壩壩體滲透坡降隨滲透系數(shù)增大而增大，滲流量逐步增大，最小安全系數(shù)隨之降低;當防滲墻滲透系數(shù)與壩體土層滲透系數(shù)相同時，大壩極可能發(fā)生滲透破壞，與加固前大壩存在的問題相符。因而不可隨意改變防滲墻滲透系數(shù)的設計值。

（3）防滲墻懸掛深度僅施工至強風化層，壩體浸潤線出逸點偏高，壩底滲流路徑縮短，滲流量偏大，最小安全系數(shù)偏小，不滿足結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定要求。參建各方應嚴控防滲墻懸掛深度的施工質(zhì)量。

（4）防滲墻作為土石壩工程防滲體系的關鍵組成部分，在實際工程施工中，應嚴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，保障大壩的安全運行。

參考文獻

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（編輯：李曉濛）

基金項目：江西省水利廳科技項目（ 201921YBKT16）

作者簡介：周清勇，男，工程師，主要研究方向為水工結(jié)構(gòu)。E-mail：13479173663@163.com