支永艷，鄧華鋒，段玲玲

(三峽大學(xué)三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點實驗室，湖北宜昌443002)

0 引 言

我國西南地區(qū)水電資源豐富，該地區(qū)多高山峽谷，具有高地震設(shè)防烈度、河谷覆蓋層深厚等特點，水電站壩型的選擇存在較大局限性。由于土石壩對復(fù)雜地基適應(yīng)能力較強，因此，是一種常用的壩型之一。在土石壩修建過程中，由于覆蓋層結(jié)構(gòu)比較松散，滲透系數(shù)比較大，導(dǎo)致深厚覆蓋層成為整個大壩工程的主要滲流途徑[1]，深厚覆蓋層的防滲加固直接關(guān)系到壩體的安全，是工程和學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點問題。較多學(xué)者對深厚覆蓋層防滲體系做大量的研究，沈振中等[2]、華靜等[3]、龐瓊等[4]、尹海華[5]總結(jié)了垂直防滲和水平鋪蓋防滲在深厚覆蓋層防滲中的運用情況；盧亞霞[6]、嚴俊等[7]、劉昌軍等[8]分析了不同防滲墻位置、深度、裂縫、材料對土石壩滲流量及下游出逸坡降的影響；丁樹云等[9]、王嘉貴等[10]對深厚覆蓋層土石壩進行了數(shù)值模擬，分析了土石壩滲流耦合及應(yīng)力變形特性；李德香[11]、王天星[12]系統(tǒng)闡述了土石壩滲透變形的成因，并提出了相應(yīng)的防滲措施；呂洪旭等[13]、吳長春[14]、黎劭[15]、陳小洪等[16]結(jié)合工程實際，分別對瀑布溝大壩、熊官塘水庫大壩、崀峨水庫除險加固大壩等進行分析計算，得出最佳防滲體系設(shè)計方案。覆蓋層的深度往往達到數(shù)十米，甚至上百米，在垂直防滲體系中，最關(guān)鍵的問題是確定防滲墻或者帷幕灌漿的深度，這直接影響到防滲效果和工程處理費用。

本文主要研究西藏某深厚覆蓋層上的一個碾壓式瀝青混凝土心墻壩，深厚覆蓋層采用懸掛式混凝土防滲墻，通過數(shù)值計算分析確定合理的防滲墻深度，并在此基礎(chǔ)上對壩體和壩基滲流特性進行整體分析評價。

圖1 壩軸線工程地質(zhì)剖面示意

1 深厚覆蓋層防滲墻深度對比分析

1.1 工程地質(zhì)條件

壩軸線工程地質(zhì)剖面如圖1所示，壩址區(qū)河谷呈U形橫向谷，兩岸沖溝發(fā)育，河谷覆蓋層厚度為14.5～77.0 m，組成物質(zhì)以粗顆粒卵礫石為主，壩址區(qū)鉆孔揭露發(fā)現(xiàn)淤泥、粘土等軟弱夾層分布；基巖的地層為變質(zhì)砂巖。根據(jù)現(xiàn)場試驗，強風(fēng)化層和弱風(fēng)化層分別呈弱、微透水性。壩址區(qū)谷底寬度一般為200～300 m，水庫正常蓄水位時河谷寬414.5 m，河床及河漫灘高程一般為4 432～4 435 m，地形平坦開闊，左岸階地高程一般為4 437～4 466 m，地形坡度一般為20°～30°，4 495 m高程以上地形坡度35°～55°，右岸階地高程一般為4 443～4 480 m，地形坡度約25°～35°。

1.2 壩基防滲方案

按照以往的工程經(jīng)驗，采用混凝土防滲墻方案時，防滲墻的深度一般貫穿深厚覆蓋層進行全封閉防滲處理，但是在覆蓋層深度較大的時候，會導(dǎo)致工程造價明顯增大，在有的工程中也嘗試提出了懸掛混凝土防滲墻方案[19]。

本工程采用懸掛混凝土防滲墻方案，防滲墻厚0.8 m，為了選取經(jīng)濟合理的防滲墻深度，結(jié)合覆蓋層的厚度分布情況，混凝土防滲墻考慮78、76、72、62、52、42、32、22、20 m等9種情況(對于覆蓋層較淺的位置，混凝土防滲墻深度以穿透覆蓋層為止)，對瀝青混凝土心墻土石壩壩址區(qū)進行滲流計算，分析不同防滲墻深度情況下的滲流情況，根據(jù)“不發(fā)生滲透破壞和滿足水庫興利調(diào)節(jié)作用的發(fā)揮”為原則，對比分析確定防滲墻深度。

圖2 壩體最大剖面(0+250)示意(單位：高程m，尺寸cm)

1.3 計算軟件、模型及參數(shù)

在防滲墻深度對比分析中，為了獲取比較準(zhǔn)確的計算結(jié)果，選取了K0+50、K0+100、K0+150、K0+200、K0+250(最大斷面)、K0+350和K0+400共7個斷面，進行正常蓄水位工況的穩(wěn)態(tài)滲流計算。

二維滲流計算采用GeoStudio軟件的SEEP/W模塊進行計算。最大剖面K0+250計算模型如圖3所示，模型上下游方向長度為610 m，模型底部延伸至高4 221 m。網(wǎng)格劃分為三角形單元和四邊形單元。壩體分區(qū)為除心墻外，單元劃分長度均為5 m。壩基單元劃分長度為覆蓋層10 m，基巖15 m。心墻和防滲墻是大壩防滲的關(guān)鍵部位，且厚度較薄，網(wǎng)格劃分加密，網(wǎng)格單元劃分長度為1 m。模型共有1 954 個結(jié)點、591個單元。

圖3 最大剖面0+250計算模型

根據(jù)相關(guān)地質(zhì)和設(shè)計資料，壩體、壩基和防滲結(jié)構(gòu)的滲透系數(shù)取值如表1所示。

表1 壩體、壩基和防滲結(jié)構(gòu)的滲透系數(shù) m/s

對于最小顆粒粒徑大于0.075 mm的無黏性土，當(dāng)D20/d20≤7.8時，兩土層之間滲流速度的差異性逐漸消失，不存在接觸沖刷問題；或者兩土層滲透系數(shù)之比≤60，同樣不存在接觸沖刷問題[20]。本工程中，壩殼料和過渡料的滲透系數(shù)相差30倍，小于0.075 mm粒徑含量都不超過5%，不會發(fā)生接觸沖刷破壞。過濾料與瀝青混凝土心墻滲透系數(shù)相差3×108倍，由于瀝青混凝土心墻的粘聚力較大，過濾料小于0.075 mm粒徑含量不超過5%，故不會發(fā)生接觸沖刷破壞。覆蓋層主要為粗顆粒卵礫石，基巖為變質(zhì)砂巖，砂礫層與強風(fēng)化層基巖的滲透系數(shù)相差1.4倍，也不會發(fā)生接觸破壞。以往的研究表明，在滲透坡降較大的地方，接觸滲流破壞更容易發(fā)生[21]。計算得到K0+250斷面處的接觸沖刷滲透坡降最大，為0.097，小于0.15，因此，可判定覆蓋層和混凝土防滲墻不會發(fā)生接觸沖刷破壞。

表2 不同深度防滲墻滲流量統(tǒng)計結(jié)果

1.4 計算結(jié)果分析

不同深度懸掛防滲墻方案的各斷面滲流量及大壩年滲流量統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。各斷面的滲流量與防滲墻深度的關(guān)系曲線如圖4所示，不同斷面的各防滲墻深度單寬滲流量如圖5所示，不同深度防滲墻情況下壩體和壩基的年滲流量變化曲線如圖6所示。

圖4 不同深度防滲墻的各斷面單寬滲流量

圖5 不同斷面的各防滲墻深度單寬滲流量

圖6 不同深度防滲墻的大壩年滲流量

綜合表2、圖4～6可以看出：

(1)防滲墻深度從20 m增加至78 m時，各斷面計算的單寬滲流量逐漸減小，其中，K0+50、K0+100、K0+150、K0+200斷面的單寬滲流量變化趨勢尤為明顯，最大斷面K0+250在防滲墻深度達20 m時，單寬滲流量最大，K0+300、K0+400斷面的單寬滲流量基本保持不變。主要是由于河床覆蓋層厚度分布不均勻，左邊深、右邊淺，在防滲墻未貫穿覆蓋層之前，隨著防滲墻深度的增加，斷面單寬流量逐漸減小，當(dāng)防滲墻貫穿覆蓋層后，滲流量驟降。

(2)防滲墻的深度從20 m增至22 m時，大壩年滲流量驟降。這是由于最大斷面K0+250在防滲墻深度達22 m時貫穿覆蓋層，單寬滲流量驟降，所以大壩的年滲流量隨之驟降。防滲墻的深度從22 m增加到76 m時，大壩年滲流量緩慢降低，防滲墻深度達76 m時，大壩大部分斷面已貫穿覆蓋層，故大壩年滲流量驟降后保持不變，大壩年滲流量范圍為5.57×105～1.67×106m3，約占壩址區(qū)流量的0.53%～1.58%。

(3)對比分析可以看出，防滲墻深度22 m可以滿足大壩和壩體年滲流量不大于多年平均徑流量2%的設(shè)計要求；滲透坡降滿足小于0.15的要求，壩基不會發(fā)生管涌破壞。

2 壩體和壩基滲流特性分析

2.1 計算模型和工況

在前述二維分析確定的混凝土防滲墻深度布置基礎(chǔ)上，建立三維有限元滲流模型，進一步驗證分析防滲墻深度為22 m是否滿足設(shè)計要求。

三維滲流分析采用ADINA軟件的Thermal模塊計算。模型如圖7所示，計算范圍為上游側(cè)邊界距壩軸線200 m，下游側(cè)邊界距壩軸線300 m，距上下游壩坡均接近1.5倍壩高，左右岸距壩肩均1倍壩高。網(wǎng)格劃分為四面體單元和六面體單元，共36 743 個結(jié)點、31 948個單元。

圖7 三維計算模型

滲流分析共模擬3種工況，即正常蓄水位、設(shè)計洪水位、校核洪水位。滲流分析中，上下游邊界條件均為定水頭邊界。上、下游壩址區(qū)滲流分析計算工況及邊界條件如表3所示。

表3 滲流計算工況和邊界條件

2.2 三維滲流計算結(jié)果分析

2.2.1滲流量

在大壩正常運行過程中，總滲流量包括壩體、壩基和繞壩滲流3部分，由于設(shè)計洪水位和校核洪水位都是在短時間的，僅對正常蓄水位工況的滲流量進行統(tǒng)計，結(jié)果如表4所示。

表4 三維滲流量統(tǒng)計結(jié)果

三維計算得到年滲流量為2.01×106m3，占壩址區(qū)多年平均徑流量的1.89%，小于壩址區(qū)多年平均徑流量的2%，水庫的滲漏損失滿足設(shè)計要求。比較而言，由于三維模型計算范圍更加完整，包括了繞壩滲流，計得到的年滲流量明顯大于二維模型的計算結(jié)果。

2.2.2壩體浸潤線及下游出逸點

從計算結(jié)果來看，3種工況下，隨著上游水位的上升，上游壩體內(nèi)部浸潤線逐漸上升，下游壩體內(nèi)部浸潤線受水位影響較小，且均位于下游排水層。最大斷面K0+250的壩體浸潤線如圖8所示。

圖8 最大斷面浸潤線

從圖8可以得出：

(1)校核洪水位條件下，壩體浸潤線位置最高，且水頭差最大。防滲體系上游壩體內(nèi)部浸潤面較高，防滲體系下游壩體處浸潤面驟降至排水層，根據(jù)浸潤線的高度，可以為壩坡穩(wěn)定計算和布置壩內(nèi)觀測管提供依據(jù)。

(2)在土壩或其他巖土體滲流中，在下游壩坡出滲邊界處存在一個滲出面，即浸潤線與坡面的交點高出下游水位線的部分，根據(jù)經(jīng)驗，當(dāng)滲流的流量越大，其滲出面的高度越大；當(dāng)土層的滲透系數(shù)越大，滲出面高度越小[22]。本文心墻和防滲墻的防滲系數(shù)較小，為10-9～10-10數(shù)量級，大壩滲流量在心墻處驟降，在大壩下游側(cè)，排水層、反濾層和排水棱體的滲透系數(shù)較大，為10-1～10-4數(shù)量級，滲流量較大，滲出面位于下游水位線以下，混凝土防滲墻和心墻起到了“上堵下排”的作用[15]，壩體壩基的防滲效果顯著。

表5 大壩各樁號剖面水力梯度計算統(tǒng)計結(jié)果

(3)壩殼料與心墻料的滲透系數(shù)相差108數(shù)量級，認為心墻上游側(cè)的入滲水頭就是庫水位，即心墻的擋水位就是壩前的庫水位，將心墻視為防滲墻，下游壩殼視為排水體，浸潤線計算結(jié)果與前人研究結(jié)果[23]相符。為了保護心墻在水庫的運行中不致發(fā)生滲透破壞，下游反濾層不應(yīng)低于心墻的最高逸出點[23]，隨著上游水位從正常蓄水位上升至校核洪水位，下游出逸點高程從4 432 m上升至4 433.74 m，出逸點均位于下游砂礫層排水體中部，低于反濾層高層，故心墻不會發(fā)生滲透破壞。

2.2.3水力梯度

滲流場中水力梯度的變化是影響土石壩滲流穩(wěn)定的主要因素，當(dāng)滲透坡降大于允許值時會發(fā)生滲透變形破壞，其逸出坡降大小也是衡量壩體壩基是否會發(fā)生管涌、流土等滲透破壞的一個重要指標(biāo)[24]。不同工況下瀝青混凝土心墻滲透坡降如圖9所示，不同工況下混凝土防滲墻滲透坡降如圖10示。根據(jù)三維計算結(jié)果，K0+50、K0+100、K0+150、K0+200、K0+250、K0+350、K0+400等7個斷面處瀝青混凝土心墻和混凝土防滲墻的滲透坡

圖9 不同工況下瀝青混凝土心墻滲透坡降

降均小于規(guī)范允許值80，壩體填筑材料和天然砂礫石層的滲透坡降小于規(guī)范允許值0.15，壩體和壩基滲透坡降滿足規(guī)范要求，大壩不會發(fā)生滲透破壞。在3種工況條件下，瀝青混凝土心墻和混凝土防滲墻滲透坡降隨庫水位上升線性增加，滲透坡降最大斷面K0+250處達到峰值，接近允許值。主要是由于心墻和防滲墻的滲透系數(shù)遠遠小于壩殼料和砂礫層的滲透系數(shù)。下游壩殼的浸潤線也較平緩，水頭損失主要在心墻和防滲墻部位。斷面K0+400的滲透坡降最小，這是由于該斷面靠近右壩頭，覆蓋層很薄，滲流量較小。

圖10 不同工況下混凝土防滲墻滲透坡降

3 結(jié)論及建議

(1)考慮不同深度的懸掛混凝土防滲墻方案，進行了多個斷面的二維滲流對比計算分析，計算結(jié)果表明，防滲墻深度22 m可以滿足年滲流量不大于多年平均徑流量即庫容損失的2%的要求。本工程河床覆蓋層厚度分布不均勻，左邊深、右邊淺，計算結(jié)果規(guī)律與實際符合較好。

(2)三維計算結(jié)果表明，采用瀝青混凝土心墻和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，最大壩高處浸潤線降至排水層，下游出逸點位于下游排水體中下部。在3種工況下復(fù)核計算結(jié)果表明，當(dāng)防滲墻深度達到22 m時，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。

(3)當(dāng)防滲墻深度達22 m時，可以滿足本工程要求，但是大壩年滲流量相對較大，在最大斷面K0+250處，覆蓋層較淺，滲透坡降較大，接近規(guī)范發(fā)生滲流破壞的臨界值。建議嚴格控制施工質(zhì)量，確保防滲體系良好的工作性能，加強施工期和運行期的滲流監(jiān)測。