防渗墙质量缺陷对某土石坝稳定性影响分析

周建云

（江西省袁惠渠工程管理局，江西 新余 338000）

0 引言

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大坝结构的渗流稳定性能，由于防渗墙属于结构的隐蔽工程，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、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]通过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。

相关学者针对防渗墙出现裂缝及处理分析做了一定的研究[6～8]，但关于这些施工缺陷对大坝渗流控制的影响研究相对较少。本文结合某工程实例，基于饱和-非饱和渗流理论，应用极限平衡上限解分析，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、材料渗透系数不足等不同缺陷时大坝稳定性态变化。

1 概况

1.1 工程概况及有限元模型

某水库大坝为粘土斜墙坝，坝顶高程71.10 m，坝顶长492.00 m，坝顶宽10.0 m，最大坝高34.20 m。大坝除险加固前，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。因本工程为大中型水库，对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。

采用GeoStudio2012软件分析防渗墙不同质量缺陷对大坝稳定性的影响。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1062个，单元数1275个，有限元模型示意见图1。根据地勘资料及工程经验，大坝各分区土体材料参数取值见表1。

图1 大坝典型断面有限元模型简图

表1 大坝渗流稳定计算各土层参数选取

1.2 渗流控制及边界条件

有限元法求解渗流场的拉普拉斯控制方程：

式中：H为总水头；kx、ky分别为x和y方向的渗透系数，考虑各向同性时kx=kz；Q为边界上水的流量；θ为体积含水率；t为时间。该方程描述了渗流区单元内某时段流入和流出的总流量等于体积含水率的变化量。

式中：k为渗透系数；r1为水头边界；r2为流量边界；n为边界r1或r2的外法线方向；h（x，y，t） 为边界r1上相应时刻的水头；q（x，y，t）为边界r2上单宽补给流量。初始条件为开始时刻渗流场，即常水位下的稳定渗流，求解方程时，有限元程序采用Galerkin加权残数法原理求解。

采用GeoStudio2012软件对大坝进行计算，其中渗流计算用seep/w模块实现，然后把不同时段渗流计算结果调入slope/w模块计算瞬态坝坡稳定，上下游水位以下的入渗和出流面及自由渗出段，其水头已知，上游水头64.46 m，下游水头为坝脚高程37.90 m，属第一类边界；渗流自由面和不透水层属第二类边界。荷载主要包括自重、静水压力和孔隙水压力等。

2 防渗墙渗透系数不足影响分析

渗透系数对土石坝的渗流稳定起到关键性的作用[10]。本文分析大坝加固按设计标准进行成墙，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，则大坝的渗流稳定性态出现明显的变化见图2。防渗墙渗透系数不同情况的变化，计算结果见表2。

图2 防渗墙渗透系数设计值10倍、20倍、同斜墙值的渗流分析图

表2 防渗墙渗透系数变化计算成果表

由图2及表2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，最小安全系数随之偏低，当与坝体土层渗透系数相同时，防渗墙起不到防渗的效果，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 防渗墙潜在初始裂缝影响分析

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[11]。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，裂缝位置假定在坝体土层高程54.00 m、坝基覆盖层高程40.00 m和强风化层高程29.00 m等三处，据相关文献资料[2～3]取0.1 m，孔洞选取计算断面下的一孔且单宽0.1 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，计算结果见图3。将裂缝位置假定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29.00 m），总结分析墙体不同高层出现缺陷时对结构整体渗流稳定的影响。分析结果见表3。

表3 防渗墙不同裂缝位置计算成果表

图3 裂缝位置在坝体常水位以下、坝基覆盖层中、强风化层中渗流分析图

由图3及表3计算可知：①防渗墙初始裂缝位于坝体土层（高程54.00 m），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），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），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。

4 结语

（1）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，最小安全系数随之偏低，当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。

（2）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。

（3）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。