周學(xué)雷

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

1 緒 論

土石壩滲流穩(wěn)定是工程安全運(yùn)行的重要基礎(chǔ)，土體的滲流作用力可改變壩體的應(yīng)力變形，如果施加于無黏性土顆粒，力學(xué)性質(zhì)改變土體瞬間失穩(wěn)，若對象為黏性土顆粒，部分顆粒隨水體流動(dòng)將會(huì)造成管涌[1]。當(dāng)大壩下游面產(chǎn)生逸出時(shí)，將造成流土現(xiàn)象。在土石壩建設(shè)工程中，需對滲流控制標(biāo)準(zhǔn)著重研究分析，降低滲流破壞，進(jìn)而保證大壩的安全穩(wěn)定。

2 滲流基本原理

土壩二向滲流采用三角形單元離散滲流場，通過對線性方程組求解平方根。得滲流場離散后的線性組[2]表達(dá)式為：

(1)

當(dāng)矩陣[S]=0時(shí)，恒定土體非穩(wěn)定滲流公式為：

(2)

若不考慮時(shí)間因素，得穩(wěn)定滲流有限單元計(jì)算表達(dá)式為：

[K]{h}={F}-[[D]{q}]

(3)

任一斷面的滲流量采用中線法[3]計(jì)算，計(jì)算公式為：

(4)

3 工程實(shí)例

3.1 工程地質(zhì)

某水利樞紐壩基為深147.95m的冰磧砂礫石層，其中夾有厚18-30m粉細(xì)砂透鏡體和湖相沉積的淤泥質(zhì)黏土、軟黏土層。水庫正常蓄水位位2960m，下游河道內(nèi)邊界面為定水頭邊界，水位取為2886m。

壩基覆蓋層上層黏土層厚2-6.82m，埋深4-7m，孔隙比e=1.183，干密度1.26t/ m3，含水量44.1%。下層為軟黏土層厚度20m左右，埋深15m，孔隙比e=1.052，干密度1.33t/ m3，含水量34.8%。

3.2 滲流分析

3.2.1 水平鋪蓋

滲流計(jì)算采用315m、615m、915m、1515m不同長度的水平防滲鋪蓋共4種方案進(jìn)行計(jì)算。其計(jì)算成果詳見圖3-1，從中可以看出：

1)鋪蓋長度為315m及615m時(shí)，壩基滲漏總量，滲透比降均不滿足要求。

2)鋪蓋長度915m，壩基滲透比降0.074，鋪蓋承受絕大部分的水頭，其余在下游損失，壩基控制滲漏標(biāo)準(zhǔn)0.36m3/s。

3)水平鋪蓋長1515m，壩基滲透比降僅為0.054，控制壩基滲漏量為0.315m3/s。

3.2.2 水平鋪蓋結(jié)合下部80m混凝土防滲墻

懸掛式垂直防滲深度按80m、100m、120m、140m四種方案考慮。計(jì)算結(jié)果表明，該方案防滲效果欠佳。當(dāng)混凝土防滲墻為80m，滲漏量僅降低25.4%，底部防滲墻滲透比降為0.312。即使垂直防滲深度達(dá)到140m，壩基滲漏量為0.396m3/s，滲漏量降低55.1%，由滲流分析可得，混凝土防滲墻在防滲體系中不能滿足壩基滲透穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)[2]。

3.2.3 全斷面垂直防滲

在混凝土防滲墻的垂直截?cái)?47.95m冰磧層下部設(shè)計(jì)帷幕灌漿。計(jì)算結(jié)果表明，壩基垂直防滲處理均截?cái)?47.95m冰磧層，完全可以成功防滲。結(jié)合截?cái)啾儗拥娜齻€(gè)方案計(jì)算，防滲墻滲透系數(shù)為1×10-7cm/s，帷幕的滲透系數(shù)為5×10-5cm/s和5×10-4cm/s均可滿足壩基滲透穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。K=1×10-5cm/s時(shí)，帷幕承受約90%的水頭，損失1%；K=1×10-4cm/s幕體承受約80%的水頭，下游損失10%，滲流效果均較理想。

表1 二維滲流分析計(jì)算成果表

滲流計(jì)算結(jié)果詳見表1。通過比較可得到滿足允許滲透比降和允許滲流量的方案：水平鋪蓋長度為915m、1515 m的防滲方案，垂直防滲完全截?cái)嗟娜炕炷练罎B墻、全帷幕及上墻下幕4種方案[3]。

圖1 不同鋪蓋長度壩基等勢線圖

圖2 不同鋪蓋長度結(jié)合80m混凝土防滲墻等勢線圖

圖3 懸掛式混凝土防滲墻等勢線圖

圖4 80m混凝土防滲墻下接帷幕灌漿等勢線圖

圖5 不同鋪蓋長度與滲漏量和滲透比降的關(guān)系曲線

圖6 垂直防滲不同深度與滲漏量和滲透比降關(guān)系曲線

圖7 不同防滲型式與壩基總滲漏量關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

文章在土石壩滲流分析原理基礎(chǔ)上，通過滲流量、自由面確定的數(shù)學(xué)模型結(jié)合深厚壩基的土石壩工程，根據(jù)壩址區(qū)地質(zhì)條件和特征水位進(jìn)行二維滲流分析，確定滲流控制標(biāo)準(zhǔn)，提出防滲設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，計(jì)算成果表明水平鋪蓋和防滲墻下接防滲帷幕的方式能夠?qū)位鶟B流維持在安全范圍內(nèi)，水平和垂直防滲的結(jié)合截?cái)鄩位鶟B漏效果顯著，驗(yàn)證了該防滲設(shè)計(jì)的可行性和合理性。