考虑土工膜缺陷的石渣坝三维渗流特性分析

岑威钧，陈司宁，李邓军，龚道勇

(1.河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098； 2.水利部堤防安全与病害防治工程技术研究中心，河南 郑州 450003；3.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

土工膜是一类高分子聚合物制成的柔性薄膜材料，具有防水性能好、备货容易、施工速度快和经济优势明显等优点，已广泛应用于土石坝、堤防、围堰、库盆、蓄水池、渠道等各类水利工程的防渗[1-3]。目前，我国有不少于50座新老土石坝工程采用土工膜防渗或进行渗漏修复[4-6]。土工膜的渗透性极低[7]，但是厚度薄(常用厚度为0.8～1.2 mm)，抵抗破坏能力弱。另外，在土工膜铺设及保护层(尤其是采用颗粒料垫层或上保护层)施工时，一些粗放式施工模式极易造成较大数量大小各异的破损。图1为已建两座土工膜防渗土石坝复查时发现的坝面土工膜破损情况。岑威钧等[8-9]从产品质量、受力、施工、设计、运行等方面阐述了土石坝中防渗土工膜各类缺陷形式及其产生原因，并开展了缺陷渗漏模拟及其影响效应分析研究[10-12]。在国外，有学者对某工程28处20万m2土工膜进行质量检测，结果平均每1万m2中有26个漏水点，其中15%为孔眼缺陷[13]。Nosko等[14]通过对300多处大约325万m2土工膜防渗工程质量检测，结果表明大小为0.5～10 cm2的缺陷占总缺陷的85.8%，其中由下垫层石块引起的顶破/刺破占缺陷总数的71.17%。由此可见，实际工程应用土工膜防渗时，土工膜不可避免地会遭到不同程度的破坏(顶破、刺破、穿破、拉裂等)，形成宏观缺陷。因此，在设计土工膜防渗土石坝时应充分考虑合理有限的土工膜缺陷，开展考虑缺陷渗漏条件下的大坝渗流特性及其潜在不利影响因素的计算分析[15]，进而定量评估大坝的渗控安全性，为工程设计、施工和安全运行提供必要的缺陷限制措施建议。

图1 坝面土工膜缺陷Fig.1 Defects of geomembrane on dam surface

1 工程概况

某中型水库工程，正常蓄水位为260.00 m，设计洪水位为260.26 m，校核洪水位为261.33 m，水库总库容1 137.24万 m3。拦河大坝采用复合土工膜防渗石渣坝，坝顶高程262.50 m，坝顶不设防浪墙，坝顶长度为131.00 m、宽度为6.0 m，最大坝高为26.8 m。坝体采用碾压石渣料填筑，大坝上游坝坡坡比为1∶3.5，表面铺设土工膜防渗，高程250.00 m以下与围堰结合布置。下游坝坡于高程247.00 m处设宽2.0 m马道一处，高程247.00 m以上坝坡坡比为1∶3.0，采用C25钢筋混凝土格构+草皮护坡；高程247.00 m以下为排水棱体，排水棱体上游坡比为1∶1.5，下游坡比为1∶2，下游侧表面采用50 cm厚干砌块石护坡。该工程坝基覆盖层较厚，最厚处为11 m，主要为褐黄-褐灰色粉质黏土，可塑状，为中压缩性土，渗透系数9.3×10-6～3.6×10-5cm/s。两岸均为侏罗系上统遂宁组J3s泥岩，岸坡覆盖层较薄，两岸岩体强风化厚度一般为0～0.60 m，岩体弱风化带厚度一般为10.30～16.90 m，风化层范围较大。为了有效控制坝基渗流，对坝基覆盖层设置防渗墙，墙顶通过趾板与坝面复合土工膜连接，墙底与帷幕灌浆相连。河床段防渗墙最大深度为15.3 m，帷幕最大深度为11.3 m；两岸坝肩风化程度高，采用帷幕灌浆，其中左侧长约179 m，右侧长约188 m，最大深度为24.4 m；土工膜、趾板、防渗墙和帷幕构成了整个坝体和坝基的防渗体系。

2 有限元计算模型及计算条件

2.1 有限元计算模型

根据坝址处地形地质条件、坝体结构及防渗设计方案，合理选取渗流计算域，并进行三维建模。剖分后的有限元网格见图2，其中结点数62 695个，单元数60 042个。有限元建模时重点对大坝及坝基的渗控措施(土工膜+趾板+防渗墙+帷幕)进行精细模拟，其中土工膜等效为一定厚度的多孔介质材料，并对其渗透系数进行相应的调整[16-17]。相关网格见图3。

图2 大坝三维渗流场有限元计算网格Fig.2 Three-dimensional finite element mesh of dam’s seepage field

图3 大坝及坝基防渗体系有限元网格Fig.3 Finite element mesh of seepage control system for dam and foundation

2.2 渗透系数取值

计算域内坝体及坝基各材料分区的渗透系数取值如下：混凝土趾板1.00×10-7cm/s，砂砾料垫层1.00×10-3cm/s，复合土工膜1.00×10-10cm/s，上游围堰(泥岩石渣料)2.00×10-4cm/s，坝体石渣料(泥岩石渣料)5.00×10-4cm/s，反滤层(灰岩料)0.01 cm/s，排水棱体(灰岩料)0.10 cm/s，防渗墙(混凝土)1.00×10-7cm/s，基岩帷幕灌浆1.00×10-5cm/s，强风化基岩(泥岩)1.00×10-3cm/s，弱风化基岩(泥岩)1.00×10-4cm/s，5Lu线以下岩基(泥岩)1.00×10-5cm/s，坝基覆盖层(粉质黏土)1.00×10-5cm/s。

2.3 渗流计算工况

按照土石坝设计规范，渗流计算时应考虑不同的水位组合，一般包括正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位及上游最不利水位等组合。限于篇幅，仅列举正常蓄水位下的各种计算工况。

关于坝面土工膜缺陷特性，目前尚无理论推测分析方法或可靠的实测统计数据可供参考，但是可以借鉴垃圾填埋场中土工膜缺陷统计数据。根据相关文献[12，18]中河北、重庆和江苏等一些垃圾填埋场土工膜缺陷探测的实测资料进行分析，可得缺陷尺寸小于20 mm、20～50 mm、50～100 mm、100～200 mm、200～500 mm及大于500 mm的缺陷个数平均占比分别为31.3%、13.2%、7.2%、22.4%、9.6%和16.4%。按该统计数据，基本可进行缺陷大小及各自数量的确定，前期计算分析表明模拟方法较为合理可行[12]。计算中，土工膜缺陷考虑孔状和缝状两种类型。孔状缺陷用于模拟土工膜因土石颗粒或外力等引起的集中顶破和刺破，尺寸大小不一，但相对较小；缝装缺陷用于模拟土工膜连接处焊接质量问题及与周边刚性建筑物连接时因不均匀沉降导致的缝状拉裂区，尺寸相对较大。国际统计资料[13]表明，对于施工质量好的土工膜防渗工程，一般每1万m2土工膜中有26个渗漏点。本工程坝面土工膜铺设面积约为6 000 m2，据此可推算正常施工条件下坝面土工膜可能的缺陷数约为16处。根据统计数据，可以确定不同的缺陷特性，进而合理构造不同的缺陷计算工况，见表2(表中WH代表土工膜完好，QX代表土工膜有缺陷)。

表1 计算工况及坝面土工膜缺陷属性

3 大坝三维渗流场特性分析

3.1 等水头线分布

根据有限元计算得到的大坝三维渗流场节点水头，绘制不同剖面的等水头线分布图。限于篇幅，仅给出两个典型工况的成果图，图4和图5分别为正常蓄水位下坝面土工膜完好(工况WH)及考虑一定缺陷(工况QX1)时的典型剖面等水头线图。由图4和图5可知，无论土工膜完好还是存在一定缺陷，总体具有如下特点：(a)整个大坝(含坝基)渗流场等水头线和渗流自由面(浸润线)分布合理，等水头线形态、走向和密集程度反映了相应区域材料渗透特性和(或)边界条件。(b)在土工膜、趾板、防渗墙和帷幕的联合防渗作用下，坝体内渗流自由面低，基本处于疏干区，渗透水流主要集中于坝基。土工膜、趾板、防渗墙和帷幕处等水头线密集，表明防渗作用显著，其他区域等水头线变化相对平缓，可见防渗体系对整个大坝渗流场的控制较为有效。(c)考虑坝面土工膜缺陷后，与土工膜完好时相比，整个大坝渗流等水头线分布规律总体相似。但是，由于库水通过土工膜缺陷直接流入坝体，防渗体系后的浸润线有所升高，在上游侧最大升高约2.40 m，并沿渗透水流方向二者浸润线高差逐渐减小。由此可见，当坝面土工膜缺陷控制在目前施工质量能达到的合理数量时，缺陷渗漏对大坝渗流场水头分布的影响总体有限，仅对上游侧浸润线产生一定影响。

图4 工况WH大坝等水头线分布(单位：m)Fig.4 Isolines of water head for dam case WH(unit:m)

图5 工况QX1大坝等水头线分布(单位：m)Fig.5 Isolines of water head for dam case QX1(unit:m)

3.2 坝体和坝基渗流量

表2为各工况下大坝分区渗流量及总渗流量，以坝体左右岸边界为界，将坝基及坝肩分为左岸、河床和右岸3区。由表2可知，坝面土工膜完好时，在土工膜、趾板、防渗墙及帷幕组成的防渗体系作用下，整个大坝渗流场的渗透水流得到有效控制，总渗流量不大。其中，流经坝体部分的渗流量很小，渗流量基本集中于坝基(河床及两岸绕渗)。流经坝体、河床、左岸、右岸的渗流量分别约占总渗流量(314.53 m3/d)的0.53%、10.35%、39.90%和49.22%。可见，土工膜完好时对坝体部分的渗控效果是非常理想的。然而事实上，由于多种原因土工膜缺陷在所难免。一旦出现缺陷，流经坝体部分的渗流量大幅上升，使大坝总渗流量明显增大，但坝基及两岸的渗流量变化不明显。各缺陷工况(QX1～QX4)下，大坝总渗流量与无缺陷情况(314.53 m3/d)相比，增幅分别为30.53%、79.62%、47.38%和72.87%。其中，因土工膜缺陷导致坝体渗流量从1.68 m3/d依次升至100.40 m3/d、268.30 m3/d、157.40 m3/d和247.60 m3/d，占总渗流量的比例从0.53%分别增至24.54%、47.49%、33.96%和45.54%。显然，不同的土工膜缺陷状态均显著增大了坝体渗流量。因此，从控制流量角度来说，确保坝面土工膜完好无损是非常有效且必要的。

3.3 渗透坡降

表3为各工况下大坝各分区最大渗透坡降计算值。由表3可知：(a)各工况下对坝体和坝基起防渗作用的复合土工膜、防渗墙和帷幕的渗透坡降较大，但均小于允许渗透坡降，渗控体系能够安全运行。(b)坝基覆盖层渗透坡降最大值为0.41，小于允许坡降0.45～0.56，因此不会发生渗透破坏。值得注意的是，如果坝基防渗墙出现劈叉等缺陷时，覆盖层渗透坡降一般会显著增大，因此施工时应确保坝基防渗体的质量。(c)坝面土工膜出现缺陷破损后，缺陷附近局部区域垫层承担主要的防渗作用，使其局部渗透坡降增加明显，同时还影响下部的坝体石渣料，其余部位渗透坡降整体变化不大。垫层渗透坡降从土工膜完好时的0.27分别增至1.78、1.47、0.51和1.48(对应工况QX1～QX4)，均位于缺陷附近。总体而言，防渗体系完好时，坝体和坝基均不会出现渗透问题。一旦土工膜出现缺陷，其后垫层的局部渗透坡降会显著增大，需做好相应的反滤保护设计，以策安全。

4 结 论

a.在土工膜、趾板、防渗墙和帷幕的联合防渗作用下，整个大坝(含坝基)渗流场等水头线分布合理，坝内浸润线低。坝面土工膜有限数量的缺陷对整个渗流水头分布影响不大，主要对缺陷附近膜后局部范围内的浸润线有一定的作用。

b.从控制流量角度来说，确保坝面土工膜完整性是非常必要且有效的。对本文实例而言，坝面土工膜完好时，流经坝体、河床、左岸、右岸的渗流量分别约占总渗流量(314.53 m3/d)的0.53%、10.35%、39.90%和49.22%，可见土工膜对坝体的渗控效果非常理想。一旦土工膜出现缺陷，坝体部分的渗流量大幅上升，增幅为24.54%～45.54%，使大坝总渗流量明显增大，但坝基及两岸的渗流量变化不明显。

c.大坝防渗体系完好时，坝体大部分处于渗流疏干区，坝体和坝基渗透坡降均较小，不存在渗透破坏问题。若坝面土工膜出现缺陷，缺陷附近垫层及以下部分坝体局部渗透坡降会显著增大，需做好相应的反滤保护设计。建议考虑采用面板堆石坝中的垫层和过渡层设计方法，以确保渗透安全性。总体而言，在合理控制大坝施工质量、确保土工膜缺陷合理可控的前提下，整个大坝渗流特性能满足安全运行的要求。