多级橡胶坝截渗墙缝隙渗漏测算方法研究

厉建阳

(蒙阴县水利局， 山东 临沂 276000)

橡胶坝是应用于水利工程的一种先进技术，与传统水利工程有很大区别，橡胶坝主要分为土建、坝袋、截渗墙等部分。截渗墙的部分采用深层搅拌桩截渗墙技术，以应对橡胶坝渗流[1- 3]。因为该技术具备使用设备简单、施工方便、无污染等特点，在我国应用广泛。深层搅拌桩截渗墙技术需要使用水泥土，这些水泥土会在搅拌桩成桩后的使用过程出现一些裂缝，导致截渗墙产生渗漏情况。渗漏产生的原因很多，比如深层搅拌桩桩身强度问题、深层搅拌桩墙体均匀性问题、施工垂直度控制问题等[4]。为准确测算截渗墙缝隙渗漏情况，提出多级橡胶坝截渗墙缝隙渗漏测算方法，通过测算缝隙渗漏量和缝隙渗漏流速，实现截渗墙缝隙渗漏整体高精度测算。

1 多级橡胶坝截渗墙缝隙渗漏测算方法

1.1 工程概况

某地区多级橡胶坝为中型规模，工程等别为Ⅲ等，永久建筑物级别为3级。橡胶坝拦蓄水量2130万m3，拦蓄水位21.7m，坝高4.7m，死库容596万m3，死水位16.9m，洪水泄量4201m3/s，防洪标准为50a一遇；灌溉保证率为55%。工程完成蓄水后，库容可达2130m3，水面面积达到352万m2，回水长度8.7km。橡胶坝净宽84m的孔共有3个。右岸设有2个净宽为2.8m的放水阀孔，垂直水流方向净宽和顺水流方向总长分别为270.1、110m。该工程主要由铺盖、坝室段防冲槽、截渗墙等部分构成[5]。该工程能够增加并改善灌溉面积约3266.67hm2。

1.2 截渗墙

截渗墙作为多级橡胶坝工程中的重要部分，其墙体完整性及连续性是截渗墙工程的核心，截渗或者增加渗径防渗是其主要功能。利用防渗墙提高地基抗渗能力，避免明水及地下渗漏水对建筑物产生渗透性破坏[6]。

完成该工程地质资料分析后，发现该处砂层底高程约为7.9m，选择深层搅拌桩截渗墙作为该工程的截渗方式，截渗墙墙底高程和墙厚分别为6.8和0.5m，平均深度约9.8m。不透水层深度0.6m，渗透系数取10-6cm/s。为提高工程安全性，将4道深层水泥搅拌桩设置在坝室和铺盖段以加固坝基。在橡胶坝上下游围堰处和两岸工程处各设一道有效厚度为398mm的深层水泥搅拌桩板墙，形成封闭空间，使渗透压力下降并缩减施工排水量，以此达到工程保护的目的[7- 8]。围封坝基可以取得以下效果：

(1)大范围缩减橡胶坝地基及坝体两端的渗漏量。

(2)降低渗流口出口的坡度，使该坡度保持在规定范围内。

(3)降低渗透压与扬压力的比值，使橡胶坝地基的稳定性保持在规定范围内。

(4)降低砾粗砂的液化性，封堵橡胶坝右端的液化砾粗砂。

(5)在橡胶坝两岸的翼墙处布置基坑，可精准获得橡胶坝的渗透质量。

将渗透系数作为橡胶坝深层搅拌桩截渗墙控制性指标，在防渗工程中搅拌桩的抗压强度虽然不作为控制性指标，但是搅拌桩的抗压强度作为坝体搅拌桩的设计指标，可以体现水泥搅拌桩的质量[9- 10]。水泥掺入量、土壤含水量、搅拌均匀程度等影响因素，都能够影响水泥土抗渗性能。水泥土渗透性由原土渗透特性和水泥土固化作用两者决定，因此可以用原土渗透系数表示水泥土渗透系数，原土渗透系数见表1。

表1 原土渗透系数

由于水泥土渗透性、强度和耐久性之间具有很大关联性，因此通常采用渗透性作为水泥耐久性的评价指标，水泥土渗透性越大导致水泥土耐久性越差[11]。水泥土的强度影响水泥土的渗透性，可以理解为水泥土的渗透性随着水泥土强度的提高而降低，从而使水泥土的耐久性提高[12]。

1.3 截渗墙缝隙渗漏测算

1.3.1渗漏量测算

裂缝数量较多、分布比较密集、贯穿性裂缝且裂缝方向沿水平方向分布是深搅截渗墙水泥土发生损坏时的常见表现[13]。因此，采用裂缝渗漏计算模型完成截渗墙缝隙渗漏量的测算，解决上述情况下橡胶坝渗漏测算问题。

设橡胶坝水深为S0，裂缝等效缝宽为di(i=1，2，3，…，n)，n是裂缝总数。

实际工程中垫层表面的渗透系数相对较小，是因为对垫层表面实行了固化处理[14- 15]。防止截渗墙表面形成大量缝隙，在缝隙之间产生连通性，造成橡胶坝截渗墙渗漏，因此需要使截渗墙裂缝下端测压管水头保持一致；各个裂缝上游端的测压管水头也相等均为S0；可以看作沿各条裂缝的渗透坡降近似相等，将其设为Gf，则单宽渗流量pf为：

(1)

式中，Wf—截渗墙裂缝的等效渗透系数。

在缝隙密集的情况下，将截渗墙渗漏问题看作宏观准连续介质渗漏问题，此时，宏观准连续截渗墙渗漏坡降和截渗墙裂缝的渗透坡降相等，均为Gf，引入一个物理量，即等效均化渗透系数为Wy，代表截渗墙宏观渗透特性，则宏观准连续性截渗墙的单宽渗流量为：

pu=WyGfT

(2)

忽略由裂缝分割形成混凝土截渗墙的渗漏作用，获取渗漏流量等效原则：

pu=pf

(3)

根据公式(1)～(3)得出：

(4)

式中，Ai—截渗墙缝隙粗糙修正系数，i=1，2，…，n；υ—水单位体积所具有的重量；σ—流动体黏滞系数；T—水面以下的截渗墙长度。

综上所述，在裂缝渗漏模型计算过程中，采用等效化渗透系数，裂缝截渗墙作为宏观准连续介质。依据该模型进行截渗墙缝隙渗漏的模拟计算。虽然前期的数据准备工作量较大，由于等效化渗透系数Wy表示所有截渗墙的渗透系数，可使截渗墙的有限元模型简化，快速计算出橡胶坝截渗墙缝隙渗漏量。

1.3.2渗漏流速测算

假设橡胶坝坝体内介质为均匀介质，且比热容浮动小很多，可以忽略不计，坝体渗漏水体的线热源释放热量功率w1是常数，则过余温度的计算公式为：

(5)

式中，R—半径，m；c—热传导系数，m2/h；ϑ—欧拉系数，取为0.5772；k—温度变化，℃。

k=K-K0

(6)

式中，K—变化后温度，℃；K0—初始温度，℃。

坝体初始水流温度和截渗墙缝隙内侧温度分别为K1和Kz，截渗墙渗漏缝隙的水体半径和坝底地下岩体半径分别为r1和r2，K2为r2处的原始温度，因此，得出热力学方程为：

(7)

两边同时对r积分，当r=r1时，K=KZ；r=r2时，K=K2。根据牛顿冷却定律能够得知截渗墙渗漏缝隙侧壁上的热流密度：

ρ=c(KZ-K1)

(8)

侧壁上热流密度相同，因此可以得出：

(9)

β=cr1/ϑ

(10)

设截渗墙缝隙内水体流速是v，获取缝隙内线热源的发热率：

w1=-2πvϑJ

(11)

式中，J—r1、r2的相关常数，且存在：

(12)

为获取截渗墙渗漏缝隙内水体流速，将公式(12)代入公式(5)得出：

(13)

式中，F—纵向应力参数。

2 实例研究

选取已完工的某多级橡胶坝为测试对象。该测试多级橡胶坝的最大坝高128m，坝顶高程为1999m，坝顶全长418m，坝顶宽9m，深层搅拌桩截渗墙顶端厚0.2m，底部最大计算厚度0.65m，橡胶坝上游水位正常蓄水位和下游蓄水位分别为1994、1867m，深层搅拌桩截渗墙垂直缝受拉区和受压区的间距分别为5、11m。

2.1 渗漏流量测算分析

为了验证本文方法截渗墙缝隙渗漏测算的合理性，测试实验对象在正常工况下和非正常工况下的缝隙渗漏情况，2种工况的渗漏计算结果见表2。

通过表2可以看出，在正常工况下和非正常工况下，本文方法测算的单宽渗漏流量和实测单宽渗漏流量分别相差0.02 、0.03m3/(s·m)，结果表明，本文方法的截渗墙缝隙渗漏流量测算结果与实测结果的吻合度较高，误差较小。证明本文方法具备截渗墙缝隙渗漏流量测算合理性。

2.2 渗漏流量影响因素分析

通过2.1小节实验可知，本文测算方法具备截渗墙缝隙渗流量测算准确性，依据本文方法测算结果研究各项因素对渗漏流量的影响。

表2 2种工况渗漏流量计算结果对比

2.2.1渗漏水角度对渗漏流量的影响

实验对象在不同缝隙角度情况下，本文方法测算到的渗漏流量结果见表3。

表3 不同渗漏角度下本文方法渗漏流量测算结果

从表3可以看出，不同缝隙渗漏角度下的缝隙漏水量不同，在渗漏角度为90°～250°之间，渗漏水流量较大，其余角度相差较小。实验结果表明，渗漏角度对渗漏流量存在一定影响。

2.2.2橡胶坝内蓄水线深度对渗漏流量的影响

为了验证坝内蓄水线不同对渗漏流量的影响，不同的蓄水线时，本文方法测算到的实验对象在同一渗漏部位的渗漏流量结果见表4。

表4 不同蓄水线深度情况下本文方法渗漏流量测算结果

从表4数据可以看出，在不同的蓄水线深度下，水下压力会改变，蓄水线越高水下压力越大，单宽渗流量和总渗流量就会增加，实验结果证明，渗漏流量受蓄水线变化影响，蓄水线深度越深、渗流量越大。

2.2.3出逸坡降对渗漏流量的影响

为了研究渗漏水流出口的出逸坡降对渗漏流量的影响，利用本文方法测算实验对象在5个不同蓄水线深度和6个不同出逸坡降的情况下的渗漏流量，测算结果如图1所示。

图1 不同蓄水线深度及出逸坡降情况下渗漏结果

通过图1可以看出，同等出逸坡降下，蓄水线深度越大，渗漏流量越大；在同样的蓄水线深度下，出逸坡降越大，渗漏流量越大；出逸坡降越小，渗漏流量越小。实验结果表明，出逸坡降对截渗墙缝隙渗漏具有显著影响。

2.3 渗漏流速测算分析

将实验对象坝体中心点作为温度采集的起点，在坝体不同深程处分别钻孔，形成渗漏后，统计不同钻孔渗漏部位水体温度值下本文方法的渗漏水流速测算结果，结果见表5。

表5 本文方法的渗漏水流速测算结果

从表5数据可以看出，采用本文方法测算的渗漏水流速与实际渗漏水流速基本一致，2个数值相差最大值仅为0.05m/d，符合对渗漏流速和流量实时测量和掌握的需求。实验结果表明，本文测算方法具备较高渗漏水流速测算精度。

2.4 纵向应力对渗漏流速的影响

通过2.3小节实验可知，本文测算方法具备截渗墙缝隙渗流速测算准确性，依据本文方法测算结果研究纵向应力对渗漏流速的影响。

纵向应力是指深层搅拌桩截渗墙在施工后的较长时间内产生的一种特征体现，为了测试纵向应力和截渗墙缝隙渗漏流速是否存在影响，测试实验对象施工后的15、30、45d，纵向应力分别为1.4、2.5、3.6MPa。本文方法测算得到的截渗墙渗漏流速情况，如图2所示。

图2 不同纵向应力情况下的渗漏情况统计结果

从图2的统计结果可以看出，在施工后的15、30、45d，不同纵向应力下的渗漏水流速不同，渗漏水流速随着纵向应力值的增加而减小。实验结果表明，纵向应力对于渗漏流速存在显著影响，纵向应力越大，渗漏流速越小。

3 结论

本文研究多级橡胶坝截渗墙缝隙渗漏测算方法，以已完工的某多级橡胶坝作为测试对象，验证本文测算方法的有效性。实验以本文测算方法所获实验结果为依据，分析渗漏水角度、蓄水线深度、渗漏水流出口的出逸坡降3种因素对渗漏流量的影响，以及纵向应力对渗漏流速的影响。得出渗漏角度为90°～250°时，对渗漏流量影响较大；蓄水线深度越深、渗流量越大；出逸坡降越大，渗漏流量越大；纵向应力越大，渗漏流速越小。以上研究结果可为橡胶坝工程提供理论依据。