某土石坝深厚覆盖层混凝土防渗墙深度优化研究

支永艳，邓华锋，段玲玲

(三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北宜昌443002)

0 引 言

我国西南地区水电资源丰富，该地区多高山峡谷，具有高地震设防烈度、河谷覆盖层深厚等特点，水电站坝型的选择存在较大局限性。由于土石坝对复杂地基适应能力较强，因此，是一种常用的坝型之一。在土石坝修建过程中，由于覆盖层结构比较松散，渗透系数比较大，导致深厚覆盖层成为整个大坝工程的主要渗流途径[1]，深厚覆盖层的防渗加固直接关系到坝体的安全，是工程和学术界关注的热点问题。较多学者对深厚覆盖层防渗体系做大量的研究，沈振中等[2]、华静等[3]、庞琼等[4]、尹海华[5]总结了垂直防渗和水平铺盖防渗在深厚覆盖层防渗中的运用情况；卢亚霞[6]、严俊等[7]、刘昌军等[8]分析了不同防渗墙位置、深度、裂缝、材料对土石坝渗流量及下游出逸坡降的影响；丁树云等[9]、王嘉贵等[10]对深厚覆盖层土石坝进行了数值模拟，分析了土石坝渗流耦合及应力变形特性；李德香[11]、王天星[12]系统阐述了土石坝渗透变形的成因，并提出了相应的防渗措施；吕洪旭等[13]、吴长春[14]、黎劭[15]、陈小洪等[16]结合工程实际，分别对瀑布沟大坝、熊官塘水库大坝、崀峨水库除险加固大坝等进行分析计算，得出最佳防渗体系设计方案。覆盖层的深度往往达到数十米，甚至上百米，在垂直防渗体系中，最关键的问题是确定防渗墙或者帷幕灌浆的深度，这直接影响到防渗效果和工程处理费用。

本文主要研究西藏某深厚覆盖层上的一个碾压式沥青混凝土心墙坝，深厚覆盖层采用悬挂式混凝土防渗墙，通过数值计算分析确定合理的防渗墙深度，并在此基础上对坝体和坝基渗流特性进行整体分析评价。

图1 坝轴线工程地质剖面示意

1 深厚覆盖层防渗墙深度对比分析

1.1 工程地质条件

坝轴线工程地质剖面如图1所示，坝址区河谷呈U形横向谷，两岸冲沟发育，河谷覆盖层厚度为14.5～77.0 m，组成物质以粗颗粒卵砾石为主，坝址区钻孔揭露发现淤泥、粘土等软弱夹层分布；基岩的地层为变质砂岩。根据现场试验，强风化层和弱风化层分别呈弱、微透水性。坝址区谷底宽度一般为200～300 m，水库正常蓄水位时河谷宽414.5 m，河床及河漫滩高程一般为4 432～4 435 m，地形平坦开阔，左岸阶地高程一般为4 437～4 466 m，地形坡度一般为20°～30°，4 495 m高程以上地形坡度35°～55°，右岸阶地高程一般为4 443～4 480 m，地形坡度约25°～35°。

1.2 坝基防渗方案

按照以往的工程经验，采用混凝土防渗墙方案时，防渗墙的深度一般贯穿深厚覆盖层进行全封闭防渗处理，但是在覆盖层深度较大的时候，会导致工程造价明显增大，在有的工程中也尝试提出了悬挂混凝土防渗墙方案[19]。

本工程采用悬挂混凝土防渗墙方案，防渗墙厚0.8 m，为了选取经济合理的防渗墙深度，结合覆盖层的厚度分布情况，混凝土防渗墙考虑78、76、72、62、52、42、32、22、20 m等9种情况(对于覆盖层较浅的位置，混凝土防渗墙深度以穿透覆盖层为止)，对沥青混凝土心墙土石坝坝址区进行渗流计算，分析不同防渗墙深度情况下的渗流情况，根据“不发生渗透破坏和满足水库兴利调节作用的发挥”为原则，对比分析确定防渗墙深度。

图2 坝体最大剖面(0+250)示意(单位：高程m，尺寸cm)

1.3 计算软件、模型及参数

在防渗墙深度对比分析中，为了获取比较准确的计算结果，选取了K0+50、K0+100、K0+150、K0+200、K0+250(最大断面)、K0+350和K0+400共7个断面，进行正常蓄水位工况的稳态渗流计算。

二维渗流计算采用GeoStudio软件的SEEP/W模块进行计算。最大剖面K0+250计算模型如图3所示，模型上下游方向长度为610 m，模型底部延伸至高4 221 m。网格划分为三角形单元和四边形单元。坝体分区为除心墙外，单元划分长度均为5 m。坝基单元划分长度为覆盖层10 m，基岩15 m。心墙和防渗墙是大坝防渗的关键部位，且厚度较薄，网格划分加密，网格单元划分长度为1 m。模型共有1 954 个结点、591个单元。

图3 最大剖面0+250计算模型

根据相关地质和设计资料，坝体、坝基和防渗结构的渗透系数取值如表1所示。

表1 坝体、坝基和防渗结构的渗透系数 m/s

对于最小颗粒粒径大于0.075 mm的无黏性土，当D20/d20≤7.8时，两土层之间渗流速度的差异性逐渐消失，不存在接触冲刷问题；或者两土层渗透系数之比≤60，同样不存在接触冲刷问题[20]。本工程中，坝壳料和过渡料的渗透系数相差30倍，小于0.075 mm粒径含量都不超过5%，不会发生接触冲刷破坏。过滤料与沥青混凝土心墙渗透系数相差3×108倍，由于沥青混凝土心墙的粘聚力较大，过滤料小于0.075 mm粒径含量不超过5%，故不会发生接触冲刷破坏。覆盖层主要为粗颗粒卵砾石，基岩为变质砂岩，砂砾层与强风化层基岩的渗透系数相差1.4倍，也不会发生接触破坏。以往的研究表明，在渗透坡降较大的地方，接触渗流破坏更容易发生[21]。计算得到K0+250断面处的接触冲刷渗透坡降最大，为0.097，小于0.15，因此，可判定覆盖层和混凝土防渗墙不会发生接触冲刷破坏。

表2 不同深度防渗墙渗流量统计结果

1.4 计算结果分析

不同深度悬挂防渗墙方案的各断面渗流量及大坝年渗流量统计结果如表2所示。各断面的渗流量与防渗墙深度的关系曲线如图4所示，不同断面的各防渗墙深度单宽渗流量如图5所示，不同深度防渗墙情况下坝体和坝基的年渗流量变化曲线如图6所示。

图4 不同深度防渗墙的各断面单宽渗流量

图5 不同断面的各防渗墙深度单宽渗流量

图6 不同深度防渗墙的大坝年渗流量

综合表2、图4～6可以看出：

(1)防渗墙深度从20 m增加至78 m时，各断面计算的单宽渗流量逐渐减小，其中，K0+50、K0+100、K0+150、K0+200断面的单宽渗流量变化趋势尤为明显，最大断面K0+250在防渗墙深度达20 m时，单宽渗流量最大，K0+300、K0+400断面的单宽渗流量基本保持不变。主要是由于河床覆盖层厚度分布不均匀，左边深、右边浅，在防渗墙未贯穿覆盖层之前，随着防渗墙深度的增加，断面单宽流量逐渐减小，当防渗墙贯穿覆盖层后，渗流量骤降。

(2)防渗墙的深度从20 m增至22 m时，大坝年渗流量骤降。这是由于最大断面K0+250在防渗墙深度达22 m时贯穿覆盖层，单宽渗流量骤降，所以大坝的年渗流量随之骤降。防渗墙的深度从22 m增加到76 m时，大坝年渗流量缓慢降低，防渗墙深度达76 m时，大坝大部分断面已贯穿覆盖层，故大坝年渗流量骤降后保持不变，大坝年渗流量范围为5.57×105～1.67×106m3，约占坝址区流量的0.53%～1.58%。

(3)对比分析可以看出，防渗墙深度22 m可以满足大坝和坝体年渗流量不大于多年平均径流量2%的设计要求；渗透坡降满足小于0.15的要求，坝基不会发生管涌破坏。

2 坝体和坝基渗流特性分析

2.1 计算模型和工况

在前述二维分析确定的混凝土防渗墙深度布置基础上，建立三维有限元渗流模型，进一步验证分析防渗墙深度为22 m是否满足设计要求。

三维渗流分析采用ADINA软件的Thermal模块计算。模型如图7所示，计算范围为上游侧边界距坝轴线200 m，下游侧边界距坝轴线300 m，距上下游坝坡均接近1.5倍坝高，左右岸距坝肩均1倍坝高。网格划分为四面体单元和六面体单元，共36 743 个结点、31 948个单元。

图7 三维计算模型

渗流分析共模拟3种工况，即正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位。渗流分析中，上下游边界条件均为定水头边界。上、下游坝址区渗流分析计算工况及边界条件如表3所示。

表3 渗流计算工况和边界条件

2.2 三维渗流计算结果分析

2.2.1渗流量

在大坝正常运行过程中，总渗流量包括坝体、坝基和绕坝渗流3部分，由于设计洪水位和校核洪水位都是在短时间的，仅对正常蓄水位工况的渗流量进行统计，结果如表4所示。

表4 三维渗流量统计结果

三维计算得到年渗流量为2.01×106m3，占坝址区多年平均径流量的1.89%，小于坝址区多年平均径流量的2%，水库的渗漏损失满足设计要求。比较而言，由于三维模型计算范围更加完整，包括了绕坝渗流，计得到的年渗流量明显大于二维模型的计算结果。

2.2.2坝体浸润线及下游出逸点

从计算结果来看，3种工况下，随着上游水位的上升，上游坝体内部浸润线逐渐上升，下游坝体内部浸润线受水位影响较小，且均位于下游排水层。最大断面K0+250的坝体浸润线如图8所示。

图8 最大断面浸润线

从图8可以得出：

(1)校核洪水位条件下，坝体浸润线位置最高，且水头差最大。防渗体系上游坝体内部浸润面较高，防渗体系下游坝体处浸润面骤降至排水层，根据浸润线的高度，可以为坝坡稳定计算和布置坝内观测管提供依据。

(2)在土坝或其他岩土体渗流中，在下游坝坡出渗边界处存在一个渗出面，即浸润线与坡面的交点高出下游水位线的部分，根据经验，当渗流的流量越大，其渗出面的高度越大；当土层的渗透系数越大，渗出面高度越小[22]。本文心墙和防渗墙的防渗系数较小，为10-9～10-10数量级，大坝渗流量在心墙处骤降，在大坝下游侧，排水层、反滤层和排水棱体的渗透系数较大，为10-1～10-4数量级，渗流量较大，渗出面位于下游水位线以下，混凝土防渗墙和心墙起到了“上堵下排”的作用[15]，坝体坝基的防渗效果显著。

表5 大坝各桩号剖面水力梯度计算统计结果

(3)坝壳料与心墙料的渗透系数相差108数量级，认为心墙上游侧的入渗水头就是库水位，即心墙的挡水位就是坝前的库水位，将心墙视为防渗墙，下游坝壳视为排水体，浸润线计算结果与前人研究结果[23]相符。为了保护心墙在水库的运行中不致发生渗透破坏，下游反滤层不应低于心墙的最高逸出点[23]，随着上游水位从正常蓄水位上升至校核洪水位，下游出逸点高程从4 432 m上升至4 433.74 m，出逸点均位于下游砂砾层排水体中部，低于反滤层高层，故心墙不会发生渗透破坏。

2.2.3水力梯度

渗流场中水力梯度的变化是影响土石坝渗流稳定的主要因素，当渗透坡降大于允许值时会发生渗透变形破坏，其逸出坡降大小也是衡量坝体坝基是否会发生管涌、流土等渗透破坏的一个重要指标[24]。不同工况下沥青混凝土心墙渗透坡降如图9所示，不同工况下混凝土防渗墙渗透坡降如图10示。根据三维计算结果，K0+50、K0+100、K0+150、K0+200、K0+250、K0+350、K0+400等7个断面处沥青混凝土心墙和混凝土防渗墙的渗透坡

图9 不同工况下沥青混凝土心墙渗透坡降

降均小于规范允许值80，坝体填筑材料和天然砂砾石层的渗透坡降小于规范允许值0.15，坝体和坝基渗透坡降满足规范要求，大坝不会发生渗透破坏。在3种工况条件下，沥青混凝土心墙和混凝土防渗墙渗透坡降随库水位上升线性增加，渗透坡降最大断面K0+250处达到峰值，接近允许值。主要是由于心墙和防渗墙的渗透系数远远小于坝壳料和砂砾层的渗透系数。下游坝壳的浸润线也较平缓，水头损失主要在心墙和防渗墙部位。断面K0+400的渗透坡降最小，这是由于该断面靠近右坝头，覆盖层很薄，渗流量较小。

图10 不同工况下混凝土防渗墙渗透坡降

3 结论及建议

(1)考虑不同深度的悬挂混凝土防渗墙方案，进行了多个断面的二维渗流对比计算分析，计算结果表明，防渗墙深度22 m可以满足年渗流量不大于多年平均径流量即库容损失的2%的要求。本工程河床覆盖层厚度分布不均匀，左边深、右边浅，计算结果规律与实际符合较好。

(2)三维计算结果表明，采用沥青混凝土心墙和防渗墙为主的防渗体系可有效地降低坝体内部浸润线高度，浸润线在沥青混凝土心墙处骤降，最大坝高处浸润线降至排水层，下游出逸点位于下游排水体中下部。在3种工况下复核计算结果表明，当防渗墙深度达到22 m时，沥青混凝土心墙和混凝土防渗墙的渗透坡降均小于允许值80，坝体填筑材料和天然砂砾石层的水力梯度小于允许值0.15，均满足渗透稳定要求。

(3)当防渗墙深度达22 m时，可以满足本工程要求，但是大坝年渗流量相对较大，在最大断面K0+250处，覆盖层较浅，渗透坡降较大，接近规范发生渗流破坏的临界值。建议严格控制施工质量，确保防渗体系良好的工作性能，加强施工期和运行期的渗流监测。