多元结构坝基双排防渗墙控渗效果试验研究

2019-06-21王正成毛海涛彭钰洁申纪伟吴恒滨

土木与环境工程学报 2019年3期

王正成，毛海涛,2，彭钰洁，申纪伟，吴恒滨

(1.重庆三峡学院土木工程学院，重庆 404100；2.武汉大学水利水电学院，武汉 430072；3.贵州建设职业技术学院建筑设备学院,贵阳 551400)

在中国西南地区的水电工程开发中常遇到深厚覆盖层地基，地基中往往同时存在强透水层(漂石、砂卵砾石、砂类土)和弱透水层(黏土、粉质黏土)，两种土层交替分布[1-2]。受水资源开发条件等因素的限制，部分水电工程被迫建在深厚覆盖层地基上[3-4]。由于混凝土防渗墙具有强度高、成型快、耐久性好、渗透系数小等优点，已广泛应用于深厚覆盖层地基的防渗工程中，其深度从20世纪60年代的20 m已经发展到目前的140 m以上[5-10]。

但部分地质条件复杂、高水头的水利工程，由于坝高的发展和允许渗流梯度的限制，一道防渗墙难以满足渗控要求，越来越多的水利工程采用双排防渗墙，如瀑布沟水电站[11]、三峡工程二期围堰、加拿大马尼克3号坝[12]、六库水电站、长河坝、九甸峡混凝土面板堆石坝。学者们针对双排防渗墙展开研究，邱祖林等[13]借助三维非线性有限元软件分析了软弱覆盖层地基中双排混凝土防渗墙的应力变形特性。吴梦喜等[14]从渗透坡降及变形的角度，针对瀑布沟水电站心墙堆石坝双排混凝土防渗墙与土质心墙几种连接方案进行了研究。郭成谦[15]针对双排防渗墙渗流的水力学特性进行了分析，并提出防渗墙的渗透系数对控渗效果的影响。高莲士等[16]针对三峡工程二期围堰进行了非线性应力应变计算。路晓婷[17]利用Midas GTS分析瀑布沟电站双排防渗墙对渗流、应力和位移的影响。刘麟[18]采用有限元软件分析了云南省怒江州六库水电站的双排防渗墙的内力、应力分布和变形。颜国卿[19]分析了大渡河长河坝双排防渗墙的应力、应变及变形。吕生玺[20]基于有限元模型分析了九甸峡混凝土面板堆石坝采用单排防渗墙柔性连接、双排防渗墙柔性连接、双排防渗墙刚性连接3个方案下防渗墙的应力及变形。

学者们主要利用有限元软件分析了双排防渗墙的应力、应变和位移，以及防渗墙与土质心墙、坝体及坝基的连接形式；在渗流控制方面，分析了防渗墙的渗透系数及连接形式对控渗效果的影响，并未涉及双排防渗墙的深度、间距、布置形式对控渗效果影响等方面的研究。有学者甚至提出双排防渗墙间会产生较大的渗流梯度，使下游防渗墙失去应有的防渗作用，没有必要采用双排防渗墙。随着深厚覆盖层上高坝的建设，双排防渗墙的应用越来越广泛，因此，双排防渗墙的深度、间距及布置形式对渗流场的影响规律急需探明。

本文以典型强弱互层深厚覆盖层地基为研究对象，设置不同的双排防渗墙控渗方案，开展渗流砂槽试验，探索双排防渗墙的间距、深度、布置形式(前长后短、前短后长、前后同长)对渗流的影响，探明双排防渗墙的控渗效果，以期为采用双排防渗墙控渗的工程提供理论支撑，在防渗墙深度一定的情况下提高控渗效率。

1 材料与方法

中国西南地区深厚覆盖层地基具有明显的层状结构[21]，强弱透水层交替分布，土层的厚度及基本特征如表1所示。

1.1 材料特性

基于表1中的典型剖面，建立深厚覆盖层坝基砂槽模型。试验材料：砂土和黏土分别作为强透水材料和弱透水层材料，土工布作为垂直防渗墙。土体均取自长江堤防重庆万州段左岸，黏土和砂土各3份，经风干、分散后进行室内筛分试验，土体的颗粒级配曲线[22-23]如图1所示。

表1 土层厚度及基本特征Table 1 Soil thickness and basic characteristics

图1 试验土的颗粒级配曲线Fig.1 The grading curves of trial

借助液、塑限联合测定仪获取土样的液、塑限值，通过烘干法测得土体的含水率w、干密度ρd，基于常水头法测得土体的渗透系数，将土体的基本参数列入表2。

由表2可知，砂土层的渗透系数(3.28×10-3cm/s)为黏土(2.57×10-5cm/s)的127.63倍，黏土可视为相对弱透水层，以下简称弱透水层。砂土和黏土的渗透性能较好模拟强弱互层地基的渗流特性，具有代表性，且符合水工试验模拟标准。

表2 砂土和黏土的基本参数Table 2 Basic parameters of sand and clay

1.2 试验方法

1.2.1 试验装置砂槽尺寸为200 cm×100 cm×130 cm。根据西南地区强弱互层深厚覆盖层地基的典型断面，结合砂槽的实际尺寸设置试验，如图2所示。土体自上而下分别为：砂土、黏土、砂土、黏土、砂土、黏土，厚度分别为17、20、20、20、15、18 cm，模型比尺为1∶100。设置坝基时，保证土体充分固结沉降；坝体填筑过程中参照《碾压式土石坝设计规范》进行分层压实。大坝高20 cm，坝顶宽5 cm，上下游坝坡均取1∶2，坝轴线距上游砂槽端部100.5 cm，距下游砂槽端部99.5 cm，集水池的尺寸为63 cm×50 cm×53 cm。试验中上下游水头差为定值，坝基和防渗墙在消杀水头方面能体现出规律，下游段设置长度符合要求。

图2 砂槽模型试验布置图Fig.2 Arrangement plan of sandbox model

砂槽中布置87个多孔进水型铝管测压计，并与测压管相连接，得出各监测点的孔隙水压力值[24]。上游水头h=16 cm，下游水头h2=0 cm；由于渗流量较小，3个出水口能保证下游水头为0 cm。根据地层的分布特点，防渗墙主要目的在于截断强透水层，嵌入弱透水层，形成半封闭式防渗墙，具有较好的隔水效果[25]；防渗墙的模型比尺为1∶100，设置深度分别为19、59、94 cm，如图2所示。1、2号防渗墙的深度分别为S1、S2，为研究防渗墙的布置形式及深度对渗流场的影响，共设置7种工况如表3所示。防渗墙的间距L=2～30 cm，每2 cm取一值，共计11种。

表3 双排防渗墙的布置形式Table 3 Arrangement form of two cut-off walls

各工况下，防渗墙底端皆嵌入弱透水层2 cm，顶端嵌入坝体2 cm。坝体为均质土坝，材料为黏土。水位调节管和进水管共同调控上游水位，始终保持上游水位恒定。砂槽下游末端设置了3个出水孔，高程与建基面一致，皆为100 cm。测压管中滴入红色试剂，便于精确读数。用纱布包裹多孔进水型铝管测压计，防止进水孔被堵塞。

1.2.2 试验步骤

1)布置双排垂直防渗体。垂直防渗体采用土工膜，借助木条和钢钉将土工膜固定在砂槽侧壁，并用橡皮泥堵塞缝隙，防止接缝处渗漏及侧渗。

2)坝基、坝体填筑及测压计的安装。坝体填筑通过干密度、土料含水率控制，分层压实；填筑过程中，在87个测压监测点安装多孔进水型铝管测压计。

3)蓄水及测压管排气。打开进水阀蓄水，排净测压管中的气体。

4)上下游水位调节。水位调节管与进水管共同调控坝前水位至116 cm，排水管调控坝后水位至100 cm。

6)改变防渗墙的间距L(2～30 cm)，重复步骤1)～5)。

7)改变防渗墙的布置形式(前长后短、前短后长、前后同长)，重复步骤1)～6)。

2 试验结果与分析

2.1 渗流量分析

2.1.1 总渗流量Q为了更清楚地揭示各工况下总渗流量Q(下文简称渗流量)随防渗墙的间距L的变化规律，根据试验结果作渗流量Q的变化曲线，如图3所示。

图3 渗流量随防渗墙间距的变化曲线Fig.3 The curves of seepage discharge changing with spacing of double cut-off

由图3可知，各工况下渗流量均随着间距的增加而降低。对比各曲线不难发现，曲线1、2、4、5、7的斜率dQ/dL较大，曲线3、6的斜率dQ/dL较小。当间距由3 cm增大至30 cm时，工况①～⑦对应的渗流量分别降低24.75%、21.65%、8.9%、31.24%、31.95%、10.12%、44.14%；由此可见，工况③、工况⑥(前短后长)对应的渗流量降低量ΔQ明显低于其他工况。工况⑦(前后同长)下L=30 cm对应的渗流量最小3.714 7×10-6m3/s。

总的渗流量包括坝体和坝基渗流量，在防渗墙深度较大时，会有更多的水体通过坝体渗向下游。因此，为了更清楚地反映出双排防渗墙对坝体和坝基渗流的影响，将进一步分析坝体和坝基渗流量的变化规律。

通过试验，绘制各工况下的流网图，各工况下流网图的绘制方法及步骤一致，以工况①(L=30 cm)为例，如图4所示。

图4 流网图

流网法计算渗流量的表达式[26]为

(1)

式中:H为上下游水头差，cm；k为土体渗透系数，cm/s；n为沿垂直流动方向的网格数；N为沿流动方向的网格数。基于图4和式(1)计算得出坝体渗流量Q1和坝基渗流量Q2。

2.1.2 坝体渗流量Q1为了分析双排防渗墙间距及布置形式对坝体渗流量的影响，作坝体渗流量变化曲线如图5所示。

图5 坝体渗流量随防渗墙间距的变化曲线Fig.5 The curves of seepage discharge of dam changing with spacing of double cut-off

由图5可知，各曲线的变化规律类似，近似于正态分布，曲线1、2、4、5、7和曲线3、6分别以间距L=13.2 cm和L=16.5 cm为界，在该点达到最大值，左侧随间距增加而增大，右侧随间距增加而减小。此外，曲线1、2、4、5、7对应的坝体渗流量降低至最小值时间距L=30 cm，而曲线3、6在间距L=3 cm时坝体渗流量最小。

对比曲线不难发现，工况③在间距L=3 cm时对应的坝体渗流量最小为6.517 1×10-7m3/s；工况⑦在间距L=13.2 cm时对应的坝体渗流量最大2.9×10-6m3/s。其原因在于双排防渗墙都嵌入弱透水层，形成封闭的隔水空间，水体不易通过坝基渗向下游，坝体成为了渗流优先通道。

2.1.3 坝基渗流量Q2在分析了总渗流量Q和坝体渗流量Q1的基础上，进一步分析坝基渗流量Q2，作坝基渗流量变化曲线如图6所示。

图6 坝基渗流量Q2随防渗墙间距的变化曲线Fig.6 The curves of seepage discharge of dam foundation changing with spacing of double cut-off

由图6可得，各曲线的变化规律类似，都随着间距L的增加先降低后增大。对比不难发现，曲线1、2、4、5、7在L=13.5 cm时达到最小值，而曲线3、6在L=17.5 cm降低至最小值。工况⑦在L=17.5 cm时，坝基渗流量降低至最小值为1.8×10-6m3/s。

2.2 渗透坡降分析

根据各测压管的压力水头值，计算得出出逸坡降J，作出逸坡降变化曲线如图7所示。

图7 出逸坡降J随防渗墙间距的变化曲线Fig.7 The curves of exit gradient changing with spacing of double cut-off

由图7可知，各曲线的变化规律与图3类似，出逸坡降J随防渗墙间距的增加而降低。对比不难发现，曲线1、2、4、5、7的斜率dJ/dL较大，曲线3、6的斜率dJ/dL较小。当两防渗墙的间距L由3 cm增大至30 cm时，工况①～⑦对应的出逸坡降分别降低40.61%、38.36%、10.74%、45.45%、47.14%、11.02%、50.18%。由此可见，工况③、工况⑥(前短后长)对应的出逸坡降降低量ΔJ明显低于其他工况。

由此可见：

1)坝体渗流量以L=13.2、16.5 cm为分界线，先增大后降低；坝基渗流量以L=13.5、17.5 cm为分界线，先降低后增大。

2)当1号防渗墙的深度大于或等于2号防渗墙(S1≥S2)时，渗流量和出逸坡降随间距增大降低明显；坝体渗流量Q1在L=13.2 cm时出现极大值；坝基渗流量Q2在L=13.5 cm时出现极小值。

3)当1号防渗墙的深度S1小于2号防渗墙的深度S2时，渗流量和出逸坡降随防渗墙间距的增加变化不显著；坝体渗流量Q1和坝基渗流量Q2分别在L=16.5、L=17.5 cm时出现极小值。

3 水头消减和防渗墙形式分析

3.1 水头消减分析

当防渗墙深度S一定时，间距L对渗流量和出逸坡降存在一定的影响，但对等势线分布的影响不显著，因此，在分析孔隙水压力分布规律时取L=30 cm。基于测压管的压力水头，利用Sufer绘制各工况下渗流等势线分布图，如图8所示。

由图8可得，各工况下渗流等势线的分布规律类似，等势线主要集中在防渗墙和弱透水层内部，绝大多数的水头被弱透水层和防渗墙形成的联合防渗体系消减，残余水头较小。水体渗过强透水层后，水头变化较小，可见，强透水层在消减水头方面的效果不显著。鉴于渗流路径的区别，渗流量(Q、Q1、Q2)和出逸坡降J存在差异。

图8 坝基渗流等势线分布图Fig.8 Distribution map of seepage equipotential lines

基于图8(a)～(e)计算得出各工况下双排防渗墙消减的水头，列入下表4。

表4 水头消减值Table 4 Water head setback value

由表4可得，当双排防渗墙深度一致时，1号防渗墙消减水头6 cm，2号防渗墙消减水头8 cm，分别占总量的37.5%和50%，余下12.5%的水头由坝基土体消减。当前后防渗墙深度不一致时，以S1=59 cm、S2=19 cm进行阐述说明(另外一种工况规律一致)，1号防渗墙消减水头10 cm，2号防渗墙消减水头4 cm，分别占总量的62.5%和25%，剩余的12.5%的水头同样被坝基自身消减。

由此可见，当两防渗墙的深度一致时，靠近上游的防渗墙消减的水头要小于下游防渗墙；当两防渗墙深度不同时，深度较大的防渗墙(与位置无关)消减更多的水头。此外，坝基土体中也存在3层弱透水层，同样消减了部分水头；由于强透水层渗透系数较大，消减的水头可忽略不计。

3.2 防渗墙形式分析

试验中设置了7种防渗墙形式，归纳总结可分为3种：1)“前长后短”，工况②、工况⑤；2)“前短后长”，工况③、工况⑥；3)“前后同长”，工况①、工况④、工况⑦。对比3种类型防渗墙的控渗效果，展开如下分析。以工况②(S1=59 cm、S2=19 cm)、工况③(S1=19 cm、S2=59 cm)、工况④(S1=S2=59 cm)为例，进行渗流量和渗透坡降分析。当间距L=30 cm时，基于图3和图7，对比工况②～工况④下渗流量Q和出逸坡降J如图9所示。

图9 各工况下渗流量和出逸坡降对比图Fig.9 Compared graphs of seepage discharge and exit gradient under various work

由图9(a)可得，当间距L=30 cm时，“前长后短”工况对应的渗流量最大8.029×10-6m3/s，“前短后长”工况次之，“前后同长”工况最小。从防渗墙造价角度考虑，“前长后短”和“前短后长”工况造价相近(两防渗墙的总深度一致)，但“前短后长”工况在控制渗流量方面的效果明显更佳，应优先考虑。

同理，对比图9(a)和图9(b)，具有类似的规律，都是“前长后短”工况最大，“前短后长”工况次之，“前后同长”工况最小。

综上所述，从降低工程造价的角度考虑，双排防渗墙采用“前短后长”的布置形式，能有效降低渗流量和抑制出逸坡降。

4 讨论

4.1 弱透水层对渗流的影响

本文旨在探讨双排防渗墙的间距及布置形式对渗流的影响，并未着重考虑弱透水层的控渗特性，而弱透水层的渗透系数、厚度、埋藏深度、连续性对渗流场有较大的影响。因此，在后续研究中应结合防渗墙和弱透水层进行综合分析，探讨二者形成的联合防渗体系的控渗效果。

4.2 防渗墙布置形式分析

“前长后短”和“前短后长”两种布置形式在消减水头方面无显著差异，都是深度大的防渗墙消减的水头较大，与位置无关。但从降低工程成本的角度考虑，当前后两防渗墙的总深度一定时，“前短后长”在降低渗流量和抑制出逸坡降方面的效果更显著，应优先考虑。

4.3 防渗墙间距分析

由2.1和2.2节分析得出，双排防渗墙采用“前长后短”、“前短后长”、“前后同长”的布置形式，总渗流量和出逸坡降皆随着防渗墙间距的增大而减小。但实际工程中，防渗墙往往设置在廊道内部，且部分坝型(如土石坝)并不能在坝体中设置廊道，因此，防渗墙的间距的设置应根据实际工程情况，在工程允许的条件下尽可能地增大间距。