覆盖层上面板堆石坝地基防渗墙深度探讨

贾学萍

（岚皋县水利局 陕西 岚皋 725400）

随着我国水利水电事业的发展，越来越多的大坝修建在深厚覆盖层地基上，特别是我国西南地区。深厚覆盖层是指堆积于河谷底，厚度大于30 m的第四纪松散堆积物，其颗粒组成偏粗大且透水性强，是一种地质条件差且复杂的地基[1]。对于建于深厚覆盖层上的大坝，坝基的渗流控制是最关键的技术问题，其直接关系到大坝的稳定及效益[2-4]。覆盖层上面板堆石坝的防渗系统主要有防渗墙、趾板、面板以及防浪墙组成，其中防渗墙是覆盖层地基的主要防渗措施[5]。由于覆盖层过于深厚，地基中越来越多采用悬挂式防渗墙[6]。本文从防渗墙渗流控制效果的角度，分析地基中防渗墙的合理深度。

1 工程概况

某面板堆石坝最大坝高111 m，坝顶宽10 m，长348.20 m，包含三台机组，总装机容量240MW。坝地处高山峡谷地区，河谷呈“V”型，山势陡峻。河床覆盖层厚度44 m～50 m。覆盖层从底部到顶部主要可以划分为以下几部分：表部水库淤积层厚约2 m～4 m；上部含碎石块石砂卵砾石层厚6 m～20 m；中部砂卵砾石层厚12 m～15 m，是河床覆盖层的主体层；底部含块碎石的砂卵砾石层厚5 m～10 m。覆盖层地基中采用一道厚1 m的防渗墙进行防渗。

2 渗流场有限元模型

2.1 有限元模型

渗流计算模型考虑基岩、两岸山岩以及坝体和防渗墙，同时对覆盖层进行分层，以体现覆盖层的一般性。对模型进行正常蓄水位条件下的稳态渗流计算。河床覆盖层总共取50m（由上到下三层分别取为20 m、15 m、15 m），使用八节点六面体等参单元对几何模型进行网格剖分，共剖分单元总数67185，节点总数73184，网格剖分图如图1所示。模型坝基底面、上下游侧面及左右岸侧面按不透水边界考虑。

图1 计算模型

2.2 计算参数和方案

根据工程实际的试验结果以及类比其它工程资料，渗流稳定计算模型各分区材料渗透系数取值见表1。为全面从渗流控制效果的角度探讨防渗墙的合理贯入深度。各覆盖层取三组不同渗透系数，其中一、二组各层渗透系数分别取为：第一组5.5×10-4m/s、5.0×10-4m/s、4.6×10-4m/s，第二组6.0×10-4m/s、5.5×10-4m/s、5.0×10-4m/s，第三组覆盖层取相同的值且为较小值，取为5.0×10-6m/s，分别计算三组系数下防渗墙深度从0 m增加到50m各种工况下的各水力要素。

3 结果分析

图2为覆盖层取第一组渗透系数时，无防渗墙及防渗墙深为50m时，模型X=260 m剖面处的水头等值线。图3为通过坝基的渗流量大坝特征部位水力坡降与防渗墙深度之间的关系曲线。图中第一组系数、第二组系数、第三组系数分别指覆盖层取对应的三组不同的渗透系数。

由图2可以看出，由于防渗墙的相对不透水性，防渗墙附近水头差最大，水头等值线最密，离开防渗墙后水头等值线逐渐变疏。防渗墙消杀水头作用明显，当防渗墙截断覆盖层到达基岩时，总水头基本被防渗墙消杀。同时，防渗墙越深水头等值线越向防渗墙靠拢，底端水头线越密集，因此防渗墙底部覆盖层水力坡降将会较大，此部位容易发生渗透破坏，特别是采用悬挂式防渗墙时，由于此部位具有一定的残渣段，允许渗透坡降较小，安全储备较低，应特别注意对其进行防护。由图还可以看出采用防渗墙后，坝体浸润线明显降低，说明防渗墙对降低坝体浸润线有一定作用，有利坝坡稳定。其它两组覆盖层渗透系数下，上述计算结果均得到相同规律。

由图3可以看出，防渗墙未达相对不透水层之前，通过坝基的渗流量随防渗墙深度的增加而相应的减少，但减少幅度有限。覆盖层渗透系数较大时，防渗墙平均每增加5 m，渗流量减少0.225m3/s左右，而当防渗墙达到相对不透水层后渗流量骤减为0.00408m3/s左右，相对无防渗墙减少量达99.81%。对比一、二组不同覆盖层渗透系数的结果可知，覆盖层渗透系数越大效果越明显。第三组系数的坝基渗流量计算结果显示，当无防渗墙时，坝基渗流量只有0.0406m3/s，总体已经相对较小。这说明当覆盖层渗透系数相对较小（k<1×10-5m/s）时，覆盖层不再是大坝渗流的控制因素。分析表明，当覆盖层的渗透系数较大时，防渗墙完全截断覆盖层能够取得较好的控制渗流量的效果，而只要还有覆盖层未被截断，坝基将还会有较大的渗流量。因此，实际工程中，当覆盖层渗透系数相对较大且对水量损失有较高要求时，不宜采用悬挂式垂直防渗措施。

表1 渗透稳定计算各区材料渗透系数

图2 X=260m横剖面水头等值线图（单位：%）

图3 大坝渗流量和特征部位水力坡降与防渗墙深度关系曲线

由图3（b）可知，防渗墙底端的最大水力坡降呈现随防渗墙深度先减少后增加的规律。当防渗墙深为35 m时坡降达最小值，此时防渗墙深度与覆盖层厚度之比为0.7。产生上述规律的原因可能是防渗墙较浅时，覆盖层渗流量减少，因此覆盖层中流速也会相应减少，随着防渗墙的加深，渗流量减少的同时，覆盖层总的渗流断面也在减少，因此当防渗墙到达某一深度时，覆盖层中的渗流速度不降反而有可能会增加。由前述分析可知，只要防渗墙未截断覆盖层，其控制渗流量及下游坡脚最大水力坡降的效果均不明显。采用悬挂式防渗墙进行渗流控制时，考虑到实际工程中防渗墙底端有一部分残渣，对于覆盖层内的细颗粒稳定不利，不利于防渗墙的运行稳定，因此防渗墙的渗流控制效果方面，可以从防渗墙底部渗透稳定的角度来确定最优的防渗墙深度。可以得出，采用悬挂式防渗墙进行渗流控制时，防渗墙并不是越深越好，其深度取其与覆盖层厚度之比为0.7左右时较为合理。由图还可看出，防渗墙内的最大平均水力坡降均也随防渗墙深度的增加而增大，当防渗墙到达相对不透水层时，防渗墙所承受的最大水力坡降达90%。因此，严格地把握防渗墙的设计、施工程序和质量对于整体的防渗也是非常重要的。

4 结论

本文从渗流控制的角度探讨防渗墙的合理深度，采用有限元法进行三维渗流分析，对比分析水头等值线、渗流量以及水力坡降等要素，综合分析结果认为，当覆盖层地基渗透系数较大时，防渗墙截断覆盖层能取得较好的防渗效果，若覆盖层无法被截断而采用悬挂式防渗墙时，其存在一个最优深度，从防渗墙渗流控制效果的角度分析，防渗墙贯入深度与覆盖层厚度之比为0.7左右时较为合理。

[1]杨天俊.深厚覆盖层岩组划分及主要工程地质问题[J].水力发电，1998，（6）：17-19.

[2]白勇，柴军瑞，曹境英等.深厚覆盖层地基渗流场数值分析[J].岩土力学，2008，（29）：90-94.

[3]张文捷，魏迎奇，蔡红.深厚覆盖层垂直防渗措施效果分析[J].水利水电技术,2009,(7)∶90-93.

[4] YAN Jun. Numerical analysis of the anti-seepage measures for high earth rockfill dam on deep overburden [J]. Applied Mechanics and Matericals,2012,(170)∶1872-1877.

[5]毛昶熙.渗流计算分析与控制[M].北京：中国水利水电出版社，2003.

[6]侍克斌，袁莹，曾祥惠.无限深透水地基上土石坝坝基垂直防渗研究[J].人民黄河，2010,(32)∶132-133.