防渗墙施工缺陷对土石坝渗流与稳定的影响分析

2020-07-09周清勇刘智洪文浩熊磊

水利水电快报 2020年5期

周清勇刘智洪文浩熊磊

摘要：防渗墙作为土石坝的重要隐蔽工程，其施工质量直接影响防渗墙的功效，关乎大坝运行安全。结合工程案例，采用有限元法分析了防渗墙不同施工缺陷对大坝渗流稳定的影响，如防渗墙存在初始裂缝、材料渗透系数不足和墙体悬挂深度不够等。分析结果表明：当防渗墙潜在裂缝位于坝体土层或强风化层时，结构可能发生局部渗透破坏或整体坝坡失稳;当防渗墙渗透系数与坝体土层的防渗系数相近时，大坝抗滑安全系数小于允许值，坝体浸润线偏高将影响结构整体稳定;当防渗墙悬挂深度仅到强风化层时，坝底渗流路径缩短，渗流量增大导致大坝抗滑安全系数偏小，不满足结构整体稳定要求。因此，在实际工程中，应严控施工工艺，防止防渗墙出现质量缺陷，从而保障大坝安全运行。

关键词：防渗墙缺陷;有限元法;初始裂缝;渗透系数;墙体悬挂深度;渗流稳定;土石坝

中图法分类号：TV543.8

文献标志码：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.05.005

1 研究背景

混凝土防渗墙作为土石坝工程防渗体系的关键组成部分，在工程的除险加固中应用极为广泛[1]，其材料质量和施工工艺直接关系到结构的渗流稳定性能，进而影响工程的运行安全。由于防渗墙属于地下隐蔽工程，通常深夹于坝体或覆盖层之下，施工时长期处于水下浇筑状态，施工工艺复杂，因此施工质量通常难以得到保障，墙体部位极易出现施工缺陷，例如墙体存在潜在的初始裂缝、墙体材料渗透系数难以达标、局部悬挂深度不足、墙体厚薄不均等现象。盛金昌等[2]通过分析混凝土防渗墙开裂对某大坝坝基土体渗透稳定性的影响，总结了防渗墙裂缝宽度和条数对坝基渗透稳定性的影响。李少明[3]采用有限元分析防渗墙的质量缺陷出现的位置对大坝渗流影响。段芳[4]对不同水位情况下有无防渗墙缺陷的坝体进行有限元数值模拟。李宏恩等[5]利用降低材料弹性模量对防渗墙的施工缺陷进行了应力变形的影响数值模拟。黄辰杰等[6]以室内砂槽模型试验为背景模拟悬挂式防渗墙的贯人深度对渗透变形的影响。刘娜等[71结合某工程实例分析了悬挂式防渗墙质量缺陷对土石坝渗流控制效果的影响，得出了悬挂式防渗墙若出现缺陷对坝体渗流形态有较大影响的结论。

国内学者针对防渗墙出现裂缝及处理分析做了一定的研究[8-11]，但有关施工缺陷对大壩渗流控制的影响研究相对较少。本文结合工程实际案例，基于饱和一非饱和渗流理论，采用有限元法分析不同防渗墙施工缺陷对大坝渗流控制的影响，并总结防渗墙存在初始裂缝、材料渗透系数不足和墙体悬挂深度不够等不同缺陷时大坝渗流与稳定的性态变化规律。采用极限平衡上限解分析，该有限元法软件是由加拿大岩土软件开发商GEO-SLOPE公司面向岩土、水利、交通、地质、环境工程等领域开发的一套仿真分析软件。

2 工程及试验基本情况

2.1 工程概况

水库位于江西省乐安河支流车溪水中游，属鄱阳湖水系饶河流域，坝址以上控制流域面积155 km2，正常蓄水位64.40 m，多年平均库水位60.98 m，总库容1.437亿m3，是一座以灌溉、供水为主，兼顾防洪、发电等综合效益的大（2）型水库。大坝为黏土斜墙坝，坝顶高程71.10 m，坝顶长492.00 m，坝顶宽10.00 m，最大坝高34.20 m。大坝除险加固前，据工程地勘资料可知，坝体填土结构较疏松，属中等偏高压缩性土，渗透性较强;斜墙土渗透系数不能满足规范要求，其土体结构较疏松，抗剪强度偏低;坝基覆盖层的主坝河床段及左岸清基较好，右岸清基质量稍差;除险加固时对大坝坝身采用混凝土防渗心墙处理。因工程为大型水库，对大坝混凝土防渗心墙成墙施工质量控制要求严格，即严控施工工艺，防止出现施工质量缺陷。

2.2 有限元模型与材料参数

大坝典型断面有限元模型由四边形单元和三角形单元构成，所建模型共划分节点数5 074个，单元数4 915个，有限元模型示意见图1。计算模型共设7个材料分区（K1-K7），根据地勘资料及工程经验，各分区土体材料参数取值见表1。

2.3 防渗墙无缺陷时渗流稳定性能

当工程处于常水位工况下，且防渗心墙的墙体无质量缺陷时，结构渗流稳定分析的流网图见图2。坝体等势线主要集中于防渗墙内，其渗透坡降降幅明显，位势下降了50%。分析结果显示：黏土斜墙的渗透坡降为0.124，小于允许坡降0.91;防渗墙渗透坡降为29.51，小于允许坡降60;坝体最大渗透坡降为0.165，小于允许坡降0.25。计算可得，常水位工况下大坝最小安全系数1.772，相比允许值1.35保有足够裕度。相比类似工程，渗流量控制较好，最近一次加固后大坝渗流稳定状况安全，大坝运行稳定。

3 防渗墙施工缺陷影响分析

3.1 防渗墙初始裂缝位置

当混凝土防渗墙存在初始裂缝时，将影响该区域局部孔隙的渗透性能，从而影响孔隙水压力的分布，导致裂缝进一步加剧[2-13]。本文将初始裂缝做简化处理分析，假设墙体内部存在一个孔洞替代不均匀分布的初始裂缝，孔洞根据文献[2-3]取0.10 m，孔洞选取计算断面下的一孔且单宽0.10 m作为初始值分析，其渗透系数与所在分区的土体材料渗透系数相同。工程中与防渗墙墙体接触的土层主要包括坝体土层、坝基覆盖层和强风化层及弱风化层，其中弱风化层渗透系数较小，弱风化带以下则为不透水层。如图3所示，假定裂缝位置在坝体土层常水位浸润线以下（高程54.00 m）、坝基覆盖层中间（高程40.00 m）和强风化层中间（高程29.00m），总结分析不同高层墙体出现缺陷时对结构整体渗流稳定的影响，分析结果见表2。

由表2及图3可知：①防渗墙初始裂缝位于坝体土层（高程54.00 m）时，墙体渗透坡降出现显著的下降趋势，坝体最大渗透坡降接近允许坡降值，坝体易发生渗透破坏，无法保障结构的渗流稳定;但大坝坝体内渗流路径较长，渗流量未见明显增大。②防渗墙裂缝位于坝基覆盖层（高程40.00 m）时，坝体渗透坡降、渗流路径、渗流量及大坝安全系数等均与防渗墙无裂缝情况下计算值一致。③防渗墙裂缝位于强风化层（高程29.00 m）时，因强风化层渗透系数较大，导致大坝最小安全系数偏低，渗流量偏大，坝体浸润线的出逸点偏高，对坝坡整体稳定不利。

综上分析，防渗墙初始裂缝位于坝体土层时，坝体易发生渗透破坏;位于强风化层时，坝体浸润线的出逸点偏高，渗流量增大，大坝最小安全系数偏低，对大坝整体稳定不利。因而需重视在透水性大的土层内成墙施工。

3.2 防渗墙渗透系数变化

渗透系数对土石坝的渗流稳定起到关键性作用[14-15]。本文分析大坝加固按设计标准成墙，大坝渗流状况安全且大坝运行稳定。若假定大坝成墙时渗透系数出现偏差，即考虑渗透系数为设计标准值10倍、20倍、与斜墙或坝体渗透系数相近3种情况，则大坝的渗流稳定性态出现明显的变化。防渗墙渗透系数在不同情况下的变化见图4，计算结果见表3。

由表3及图4可知：大坝坝体渗透坡降随渗透系数的增大而增大，渗流量逐步增大，最小安全系数随之降低;当防渗墙渗透系数与坝体土层渗透系数相同时，防渗墙不具有防渗效果，大坝极可能发生渗透破坏，抗滑稳定最小安全系数小于允许值，与加固前大坝存在的问题相符。因而不可随意改变防渗墙渗透系数的设计值。

3.3 防渗墙悬挂深度变化

根据大坝工程经验及相关文献可知，防渗墙墙体设计深度一般应深入弱风化层以下0.5m，才能起到良好的截渗效果[16-18]。大坝实际施工过程中，因施工工艺原因防渗墙墙体深度可能局部达不到设计值。若假定防渗墙深度仅深入强风化层以下3m，则有限元分析成果见图5，计算结果见表4。

由表4及图5可知：大坝坝体渗透坡降随防渗墙悬挂深度的减少而降低，坝体内防渗墙后的浸润线出逸点偏高，坝底渗流路径缩短，渗流量增大，最小安全系数降低，对大坝整体渗流稳定不利。这是因为成墙深入强风化层以下3m时未能将渗流路径完全切断，土层渗透系数偏大。参建各方应严控防渗墙悬挂深度的施工质量。

4 结论

（1）防渗墙初始裂缝位于坝体土层时，大坝结构易发生渗透破坏;位于强风化层时，坝体浸润线的出逸点偏高，大坝最小安全系数偏低，对大坝整体渗流稳定不利。因而需重视在透水性大的土层内成墙施工。

（2）大坝坝体渗透坡降随渗透系数增大而增大，渗流量逐步增大，最小安全系数随之降低;当防渗墙渗透系数与坝体土层渗透系数相同时，大坝极可能发生渗透破坏，与加固前大坝存在的问题相符。因而不可随意改变防渗墙渗透系数的设计值。

（3）防渗墙悬挂深度仅施工至强风化层，坝体浸润线出逸点偏高，坝底渗流路径缩短，渗流量偏大，最小安全系数偏小，不满足结构整体稳定要求。参建各方应严控防渗墙悬挂深度的施工质量。

（4）防渗墙作为土石坝工程防渗体系的关键组成部分，在实际工程施工中，应严格控制好防渗墙的施工工艺及质量，保证大坝结构的稳定，保障大坝的安全运行。

参考文献

[1] 夏可风，我国水工混凝土防渗墙技术进展[J]水利水电施工，2006（4）：4-8，47.

[2]盛金昌，赵坚，速宝玉.混凝土防渗墙开裂对坝基渗透稳定性的影响[J].水利水电科技进展，2006 （1）：23-26.