楊春鳴

(四川大渡河雙江口水電開發(fā)有限公司，四川 阿壩 624000)

1 研究背景

在深厚覆蓋層中建造防滲墻時(shí)，不良的地質(zhì)條件會給工程施工帶來很大的困難，塌孔、泥漿滲漏、不均勻沉陷等問題非常突出，無論對于施工技術(shù)還是理論研究都提出了極高的要求[1-3]。為了確保防滲墻槽孔的穩(wěn)定性，水利水電工程建設(shè)中普遍采用泥漿護(hù)壁的方法[4-6]。泥漿護(hù)壁是利用槽孔內(nèi)外流體壓差來維持壁面穩(wěn)定的，泥漿在此過程中會入滲到槽孔附近區(qū)域一定范圍的粗粒土內(nèi)部，該區(qū)域內(nèi)粗粒土的性質(zhì)會由于泥漿中黏土顆粒的入滲而得到改善，土的孔隙會在一定程度上被填充密實(shí)，滲透性降低[7-9]。當(dāng)泥漿滲透穩(wěn)定時(shí)，會在槽壁面上形成透水性很低的泥皮，防滲墻澆筑完成后，泥皮處于防滲墻混凝土和覆蓋層土體之間[10]。已有研究表明，泥皮自身致密的結(jié)構(gòu)在抗?jié)B以及防滲墻結(jié)構(gòu)受力和變形時(shí)的緩沖和協(xié)調(diào)方面能夠發(fā)揮一定作用[11-13]。泥漿滲透所形成泥皮的抗?jié)B性能以及泥皮對于防滲墻混凝土缺陷的補(bǔ)償作用已經(jīng)通過試驗(yàn)和理論分析得到了驗(yàn)證[14-15]。為了進(jìn)一步了解和分析防滲墻施工完成后，大壩上游蓄水情況下防滲墻的工作狀態(tài)和抗?jié)B特性，以新疆下坂地水利樞紐工程深厚覆蓋層壩基防滲墻為例，建立滲流計(jì)算模型，進(jìn)行大壩上游在正常蓄水位條件下的穩(wěn)定滲流計(jì)算。在防滲墻混凝土局部存在缺陷時(shí)，對墻體與覆蓋層土體之間有無泥皮條件下防滲墻的抗?jié)B特性進(jìn)行研究。分析在上下游水頭差作用下，壩體內(nèi)浸潤線的形態(tài)規(guī)律、覆蓋層濕度場的變化特征，以及作用在防滲墻上的滲透壓力分布情況，進(jìn)一步討論泥皮對于缺陷混凝土防滲墻抗?jié)B能力的影響。

2 缺陷混凝土防滲墻抗?jié)B性能計(jì)算模型

2.1 模型與參數(shù)

圖1為新疆下坂地水利樞紐工程壩基覆蓋層的地質(zhì)構(gòu)造斷面，覆蓋層最大厚度為147.95m，依據(jù)其成因及顆粒組成大致可分為4層，從上到下依次為：坡磧塊石、碎石及沖洪積砂卵礫石層，冰水磧砂層，冰磧含漂塊碎石層，冰水磧含塊卵礫石層。如圖2所示，該水利工程大壩為瀝青混凝土心墻堆石壩，最大壩高78m，壩頂高程2966m，壩頂寬10m、長406m，壩體從上游至下游的最大底寬為473m，壩軸線最短約308.5m。大壩壩體主要包括瀝青混凝土心墻、心墻上下游過渡料、壩殼料、上下游壩坡干砌石護(hù)坡、壩內(nèi)水平排水體、大壩下游排水棱體等?；炷练罎B墻布置在大壩心墻下，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合對比，選定了上部深85m、厚1m的混凝土防滲墻，下部接4排深66m灌漿帷幕的組合防滲方案。

圖1 覆蓋層地質(zhì)構(gòu)造橫斷面

圖2 大壩橫斷面

建立的滲流計(jì)算模型如圖3所示，按地質(zhì)構(gòu)造斷面將覆蓋層沿縱向劃分為四層，總厚度為150m，自上而下各地層厚度為沖洪積砂礫石層30m、冰水磧砂層25m、冰磧含漂塊石層55m、冰水磧含塊卵礫石層40m。計(jì)算范圍自上、下游壩坡的坡腳處向兩側(cè)各延伸260m，整個模型沿上下游方向的總長度為920m。防滲墻的深度及厚度按照實(shí)際工程資料確定，為了分別考慮混凝土防滲墻結(jié)構(gòu)完整和存在缺陷的情況，并結(jié)合防滲墻與覆蓋層土體之間是否有泥皮存在的條件，以實(shí)際工程資料為基礎(chǔ)，共劃分了表1中列出的4種計(jì)算方案。在計(jì)算過程中，采用改變防滲墻局部區(qū)域滲透系數(shù)的方法來模擬混凝土存在的缺陷，所模擬的缺陷部位選定防滲墻深度為15～20m、50～55m、70～75m的三個區(qū)域，各個區(qū)域處于不同地質(zhì)條件的地層中，分別與材料特性不同的覆蓋層土體相接觸。滲流計(jì)算模型見圖3。

表1 滲流計(jì)算方案

圖3 滲流計(jì)算模型

計(jì)算模型中各種材料的滲透系數(shù)取值見表2。其中，缺陷混凝土材料的滲透系數(shù)按照試驗(yàn)中各組缺陷混凝土試件的滲透系數(shù)平均值進(jìn)行確定；泥皮的滲透系數(shù)由各組滲水試驗(yàn)中泥皮的水力坡降與流速的關(guān)系得出，采用泥皮結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞之前的平均滲透系數(shù)作為計(jì)算參數(shù)。

表2 滲流計(jì)算材料參數(shù)

2.2 邊界條件

在計(jì)算模型的上游壩坡面及覆蓋層頂部表面上施加常水頭邊界條件進(jìn)行穩(wěn)定滲流計(jì)算。通過計(jì)算能夠得到在大壩上游達(dá)到正常蓄水位條件下，壩體浸潤線的形態(tài)及溢出點(diǎn)的位置，分析壩基各部分區(qū)域濕度場的分布和變化規(guī)律，得出流線的形態(tài)與走勢、各斷面的滲透流量以及上游蓄水在壩基覆蓋層中向下游側(cè)滲透時(shí)，作用在防滲墻上的滲水壓力分布情況。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 壩基覆蓋層滲流計(jì)算結(jié)果

通過調(diào)整模型區(qū)域劃分及計(jì)算參數(shù)，分別對表1中各方案進(jìn)行模擬計(jì)算，圖4～圖15為各方案的計(jì)算結(jié)果，包括壩體內(nèi)浸潤線的形態(tài)、壩基覆蓋層含水量的大小、滲透流線的走勢、防滲墻兩側(cè)附近斷面的單寬流量、水壓力分布規(guī)律等。

從圖中可以看出，不同計(jì)算方案穩(wěn)定滲流條件下壩體內(nèi)部浸潤線的形態(tài)有著相似的規(guī)律。由于瀝青混凝土心墻的滲透系數(shù)與大壩堆石料相比要小得多，分擔(dān)水頭的效果顯著，滲流通過壩體上游堆石體時(shí)，水頭損失不大，而當(dāng)滲流通過瀝青混凝土心墻后，浸潤線高度跌落明顯。各計(jì)算方案中，由于壩基防滲墻的缺陷程度不同及泥皮存在條件的差異，浸潤線在通過心墻后所處的位置有所不同。方案三、方案四的浸潤線位置與方案一、方案二相比明顯偏高，即浸潤線的位置隨著壩基防滲墻缺陷程度的增加而抬高。防滲墻缺陷越顯著，滲透達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，壩體下游側(cè)的水位越高，說明防滲墻缺陷會對大壩整體的抗?jié)B穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響。對于防滲墻存在缺陷的情況，方案四與方案三相比，浸潤線的位置較高，即在考慮泥皮存在條件下，浸潤線的位置會有所降低，表明泥皮起到了一定的防滲和分擔(dān)水頭的作用；當(dāng)壩基防滲墻不存在缺陷時(shí)，方案一與方案二的計(jì)算結(jié)果差別不大，浸潤線的位置均較低，說明在混凝土防滲墻結(jié)構(gòu)完好的條件下，墻體抗?jié)B能力強(qiáng)，考慮泥皮和不考慮泥皮的情況下所得浸潤線的位置比較接近，此時(shí)，泥皮對于分擔(dān)水頭和提高墻體抗?jié)B性能的貢獻(xiàn)較小。通過對比各方案的計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)混凝土防滲墻結(jié)構(gòu)完好時(shí)，泥皮在防滲方面所起到的作用得不到明顯的體現(xiàn)，而泥皮在混凝土防滲墻存有缺陷時(shí)能夠表現(xiàn)出很好的防滲能力，對于防滲墻的抗?jié)B性能以及大壩整體的防滲效果都具有非常顯著的提高和補(bǔ)償作用。

圖4～圖7顯示，各計(jì)算方案壩基覆蓋層含水量的計(jì)算結(jié)果較為接近，在壩體上游蓄水條件下，滲透達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，壩基覆蓋層土體均達(dá)到飽和狀態(tài)，土層的含水量即為飽和含水量。由于壩體內(nèi)浸潤線位置的不同，各計(jì)算方案中大壩下游浸潤線以上非飽和區(qū)域的分布情況有所差別，浸潤線位置越低，非飽和區(qū)域越大，且越接近壩體頂部位置含水量越低。

圖4 方案一含水量分布

圖5 方案二含水量分布

圖6 方案三含水量分布

圖7 方案四含水量分布

圖8～圖11分別顯示了各計(jì)算方案壩基覆蓋層中流線的分布情況及防滲墻上下游側(cè)斷面單寬流量的大小?？梢钥闯?，各組計(jì)算流線的分布規(guī)律基本相同，而隨著防滲墻缺陷程度的增加，防滲墻上下游側(cè)斷面的單寬流量逐漸增大。方案一中，防滲墻不存在缺陷且考慮泥皮存在情況下的斷面單寬流量最小；方案四中，防滲墻存在缺陷且不考慮泥皮存在情況下的斷面單寬流量最大。在防滲墻存在缺陷時(shí)，通過將方案三和方案四的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較可以看出，考慮泥皮時(shí)的單寬流量明顯小于不考慮泥皮的情況，表明泥皮能夠有效地降低缺陷混凝土防滲墻的滲透性，提高墻體的抗?jié)B性能。當(dāng)認(rèn)為防滲墻不存在缺陷時(shí)，通過對比方案一和方案二的計(jì)算結(jié)果可知，兩種情況下斷面的單寬流量差別不大，泥皮存在時(shí)能夠在一定程度上起到分擔(dān)水頭的作用，防滲墻承擔(dān)的水頭相對于不考慮泥皮的情況要小，滲流通過防滲墻斷面的單寬流量亦稍有降低，但由于結(jié)構(gòu)完整、無缺陷，混凝土防滲墻抗?jié)B性能良好，泥皮在防滲方面所起到的作用相對較小，兩種方案計(jì)算得出的單寬流量相差無幾。

圖8 方案一流線分布及斷面流量 (單位：m2/s)

圖9 方案二流線分布及斷面流量 (單位：m2/s)

圖10 方案三流線分布及斷面流量 (單位：m2/s)

圖11 方案四流線分布及斷面流量 (單位：m2/s)

3.2 防滲墻滲透壓力的分布規(guī)律

壩體上游側(cè)的蓄水在水頭差的作用下會通過大壩堆石體、壩基覆蓋層土體以及防滲墻向下游側(cè)發(fā)生滲透，防滲墻由于較低的滲透系數(shù)使得其自身成為了主要的防滲結(jié)構(gòu)，由滲透所產(chǎn)生的滲透壓力會集中作用在防滲墻上。

圖12～圖15為四種計(jì)算方案水壓力分布的等值線圖，從圖中可以看出，當(dāng)滲流達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，墻體上游側(cè)的水壓力較大，下游側(cè)水壓力較小，上下游面存在一定的壓力差。對于方案一和方案二中不考慮防滲墻存在缺陷的情況，由于結(jié)構(gòu)完整的防滲墻與由泥皮和防滲墻所組成的防滲結(jié)構(gòu)相比，其抗?jié)B性能相差無幾，因此，兩種條件下防滲墻上下游側(cè)壩基覆蓋層中水壓力的分布規(guī)律非常接近，墻體上游側(cè)水壓力較大，下游側(cè)水壓力較小，墻體兩側(cè)的水壓力差較大。對于方案三和方案四中考慮防滲墻存在缺陷的情況，壩基覆蓋層中水壓力的分布規(guī)律發(fā)生了一定的變化，防滲墻上游側(cè)的水壓力與下游側(cè)的水壓力相比仍然較大，但墻體兩側(cè)的壓力差有所減小。這是由于防滲墻的缺陷處成為墻體抗?jié)B的薄弱部位，滲透量隨著防滲墻抗?jié)B能力的降低而增加，滲透達(dá)到穩(wěn)定后，墻體兩側(cè)的水壓力有逐漸均勻化的趨勢，導(dǎo)致防滲墻兩側(cè)的水壓力差有所降低。方案四與方案三相比，防滲墻壓力差減小的趨勢更為明顯，由于防滲墻的缺陷得不到泥皮的補(bǔ)充，承擔(dān)水頭的能力下降導(dǎo)致滲流經(jīng)過防滲墻后水頭損失很小，防滲墻兩側(cè)的水壓力差明顯減小。方案三中存在泥皮的情況與方案四中不存在泥皮的情況相比，防滲墻上游側(cè)水壓力相對較大，而下游側(cè)水壓力相對較小，墻體兩側(cè)的水壓力差較大，說明泥皮憑借其自身較強(qiáng)的抗?jié)B性能在分擔(dān)水頭方面發(fā)揮了一定的作用，這種現(xiàn)象進(jìn)一步體現(xiàn)了當(dāng)防滲墻存在缺陷時(shí)，泥皮的存在對于壩基防滲的重要意義。由于壩基防滲體采用了上墻下幕的結(jié)構(gòu)型式，灌漿帷幕位于防滲體的底部，其抗?jié)B性要低于防滲墻，因此，上下游兩側(cè)的水壓力差在防滲結(jié)構(gòu)的底部呈現(xiàn)出略有減小的趨勢。

圖12 方案一水壓力分布 (單位：kPa)

圖13 方案二水壓力分布 (單位：kPa)

圖14 方案三水壓力分布 (單位：kPa)

圖15 方案四水壓力分布 (單位：kPa)

在蓄水從上游側(cè)向下游側(cè)發(fā)生滲透的過程中，防滲結(jié)構(gòu)上所承擔(dān)的滲透壓力對其自身的工作狀態(tài)有著重要的影響。根據(jù)穩(wěn)定滲流的計(jì)算結(jié)果可以得出防滲墻及帷幕上下游側(cè)的滲透壓力沿深度的分布規(guī)律，如圖16～圖17所示，各計(jì)算方案中，防滲結(jié)構(gòu)上下游側(cè)的滲透壓力沿深度的分布規(guī)律基本相同，即隨著深度的增加，滲透壓力呈逐漸增大的趨勢。對于不考慮防滲墻存在缺陷的方案一和方案二，防滲結(jié)構(gòu)上下游側(cè)的滲透壓力非常接近，曲線近乎重合；對于防滲墻存在缺陷的方案三和方案四，與前兩種方案相比，上游側(cè)的滲透壓力相對較低，而下游側(cè)的滲透壓力相對較高，在防滲墻存在缺陷的部位，墻體上的滲透壓力存在突然變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，上游側(cè)的滲透壓力突然減小，而下游側(cè)的滲透壓力突然增大，在墻體存在缺陷且不考慮泥皮作用的方案四中，這種趨勢最為明顯。

圖16 四種計(jì)算方案防滲結(jié)構(gòu)上游側(cè)滲透壓力沿深度的分布

圖17 四種計(jì)算方案防滲結(jié)構(gòu)下游側(cè)滲透壓力沿深度的分布

圖18顯示了作用在防滲結(jié)構(gòu)上的滲透壓力差沿深度的分布規(guī)律?？梢钥闯?，不考慮防滲墻存在缺陷的方案一和方案二的計(jì)算結(jié)果非常接近，作用在防滲結(jié)構(gòu)上的滲透壓力差沿著深度的變化幅度不大，隨著深度的增加，滲透壓力差略有減小。當(dāng)防滲墻存在缺陷時(shí)，是否考慮泥皮情況下的滲透壓力差，其計(jì)算結(jié)果有著較大的差別，方案四與方案三相比，在整個深度范圍內(nèi)，防滲結(jié)構(gòu)上的滲透壓力差明顯較小。在防滲墻的缺陷部位，存在滲透壓力差驟然減小的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，由于此處墻體的滲透性下降導(dǎo)致流量增大，上下游側(cè)的水壓力差趨于均勻化的態(tài)勢非常明顯，防滲結(jié)構(gòu)兩側(cè)的滲透壓力差顯著降低。隨著深度的增加，作用在防滲結(jié)構(gòu)上的滲透壓力差變化幅度較小，基本趨于穩(wěn)定。

圖18 四種計(jì)算方案防滲結(jié)構(gòu)上下游滲透壓力差沿深度的分布

表3對各方案的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和匯總。可以看出，隨著防滲墻缺陷程度的加深，滲流達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，防滲結(jié)構(gòu)上下游側(cè)的浸潤線的高差、最大滲透壓力差都有逐漸減小的趨勢。滲透流量隨著防滲墻缺陷程度的提高而增大，在防滲墻不存在缺陷時(shí)，有無泥皮情況下的滲透流量差別不大，即當(dāng)認(rèn)為防滲墻結(jié)構(gòu)完好時(shí)，泥皮在防滲方面所起到的作用無法得到充分體現(xiàn)。當(dāng)防滲墻存在缺陷時(shí)，泥皮的存在與否對于滲透流量的影響非常顯著，對比方案三和方案四的計(jì)算結(jié)果，不考慮泥皮情況下的滲透流量明顯較大，這也從滲透流量的角度再次證明了泥皮的存在對于防滲墻缺陷所起到的補(bǔ)償作用。通過對防滲結(jié)構(gòu)上滲透壓力的分布情況進(jìn)行分析，可以了解混凝土缺陷及泥皮對于防滲結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的影響。此外，滲透壓力是防滲結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的重要荷載之一，充分掌握作用在防滲結(jié)構(gòu)上滲透壓力的情況，對于進(jìn)一步研究防滲墻在多重荷載作用下的受力和變形特性有著非常重要的意義。

表3 四種方案的計(jì)算指標(biāo)

4 結(jié) 論

a.在正常蓄水位條件下，通過建立大壩穩(wěn)定滲流模型進(jìn)行計(jì)算和分析，表明泥皮的存在對于滲透穩(wěn)定后浸潤線的形態(tài)及溢出點(diǎn)位置、滲透流量、防滲墻滲水壓力的分布狀態(tài)都會產(chǎn)生一定影響。

b.結(jié)構(gòu)致密的泥皮具有較強(qiáng)的抗?jié)B性能，當(dāng)混凝土防滲墻存在缺陷時(shí)，泥皮對于防滲墻抗?jié)B性能的補(bǔ)償作用較為明顯，在考慮泥皮存在的條件下，浸潤線溢出點(diǎn)的位置有所降低，滲透流量相對較小，滲透規(guī)律更接近于混凝土防滲墻結(jié)構(gòu)完整時(shí)的狀態(tài)；當(dāng)混凝土防滲墻結(jié)構(gòu)完整無缺陷時(shí)，抗?jié)B作用主要仍由防滲墻來承擔(dān)，是否存在泥皮對于防滲結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能影響不大。

c.防滲結(jié)構(gòu)上下游側(cè)的滲透壓力沿深度的分布規(guī)律基本相同，即隨著深度的增加，滲透壓力呈逐漸增大的趨勢。不考慮防滲墻存在缺陷時(shí)，作用在防滲結(jié)構(gòu)上的滲透壓力差沿著深度的變化幅度不大；當(dāng)防滲墻存在缺陷時(shí)，防滲結(jié)構(gòu)上的滲透壓力差相對較小，泥皮的存在使得防滲墻滲透壓力差在整個深度范圍內(nèi)變化不大，在防滲墻缺陷部位不考慮泥皮的情況下，滲透壓力差驟然減小，防滲結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能顯著降低。