深厚复杂坝基渗流分析及防治措施研究

周学雷

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

1 绪 论

土石坝渗流稳定是工程安全运行的重要基础，土体的渗流作用力可改变坝体的应力变形，如果施加于无黏性土颗粒，力学性质改变土体瞬间失稳，若对象为黏性土颗粒，部分颗粒随水体流动将会造成管涌[1]。当大坝下游面产生逸出时，将造成流土现象。在土石坝建设工程中，需对渗流控制标准着重研究分析，降低渗流破坏，进而保证大坝的安全稳定。

2 渗流基本原理

土坝二向渗流采用三角形单元离散渗流场，通过对线性方程组求解平方根。得渗流场离散后的线性组[2]表达式为：

(1)

当矩阵[S]=0时，恒定土体非稳定渗流公式为：

(2)

若不考虑时间因素，得稳定渗流有限单元计算表达式为：

[K]{h}={F}-[[D]{q}]

(3)

任一断面的渗流量采用中线法[3]计算，计算公式为：

(4)

3 工程实例

3.1 工程地质

某水利枢纽坝基为深147.95m的冰碛砂砾石层，其中夹有厚18-30m粉细砂透镜体和湖相沉积的淤泥质黏土、软黏土层。水库正常蓄水位位2960m，下游河道内边界面为定水头边界，水位取为2886m。

坝基覆盖层上层黏土层厚2-6.82m，埋深4-7m，孔隙比e=1.183，干密度1.26t/ m3，含水量44.1%。下层为软黏土层厚度20m左右，埋深15m，孔隙比e=1.052，干密度1.33t/ m3，含水量34.8%。

3.2 渗流分析

3.2.1 水平铺盖

渗流计算采用315m、615m、915m、1515m不同长度的水平防渗铺盖共4种方案进行计算。其计算成果详见图3-1，从中可以看出：

1)铺盖长度为315m及615m时，坝基渗漏总量，渗透比降均不满足要求。

2)铺盖长度915m，坝基渗透比降0.074，铺盖承受绝大部分的水头，其余在下游损失，坝基控制渗漏标准0.36m3/s。

3)水平铺盖长1515m，坝基渗透比降仅为0.054，控制坝基渗漏量为0.315m3/s。

3.2.2 水平铺盖结合下部80m混凝土防渗墙

悬挂式垂直防渗深度按80m、100m、120m、140m四种方案考虑。计算结果表明，该方案防渗效果欠佳。当混凝土防渗墙为80m，渗漏量仅降低25.4%，底部防渗墙渗透比降为0.312。即使垂直防渗深度达到140m，坝基渗漏量为0.396m3/s，渗漏量降低55.1%，由渗流分析可得，混凝土防渗墙在防渗体系中不能满足坝基渗透稳定标准[2]。

3.2.3 全断面垂直防渗

在混凝土防渗墙的垂直截断147.95m冰碛层下部设计帷幕灌浆。计算结果表明，坝基垂直防渗处理均截断147.95m冰碛层，完全可以成功防渗。结合截断冰碛层的三个方案计算，防渗墙渗透系数为1×10-7cm/s，帷幕的渗透系数为5×10-5cm/s和5×10-4cm/s均可满足坝基渗透稳定标准。K=1×10-5cm/s时，帷幕承受约90%的水头，损失1%；K=1×10-4cm/s幕体承受约80%的水头，下游损失10%，渗流效果均较理想。

表1 二维渗流分析计算成果表

渗流计算结果详见表1。通过比较可得到满足允许渗透比降和允许渗流量的方案：水平铺盖长度为915m、1515 m的防渗方案，垂直防渗完全截断的全部混凝土防渗墙、全帷幕及上墙下幕4种方案[3]。

图1 不同铺盖长度坝基等势线图

图2 不同铺盖长度结合80m混凝土防渗墙等势线图

图3 悬挂式混凝土防渗墙等势线图

图4 80m混凝土防渗墙下接帷幕灌浆等势线图

图5 不同铺盖长度与渗漏量和渗透比降的关系曲线

图6 垂直防渗不同深度与渗漏量和渗透比降关系曲线

图7 不同防渗型式与坝基总渗漏量关系曲线

4 结 论

文章在土石坝渗流分析原理基础上，通过渗流量、自由面确定的数学模型结合深厚坝基的土石坝工程，根据坝址区地质条件和特征水位进行二维渗流分析，确定渗流控制标准，提出防渗设计优化方案，计算成果表明水平铺盖和防渗墙下接防渗帷幕的方式能够将坝基渗流维持在安全范围内，水平和垂直防渗的结合截断坝基渗漏效果显著，验证了该防渗设计的可行性和合理性。