土石坝防渗墙嵌岩深度对坝体稳定性影响

曲华斌，王克磊，杨 震

(1.山东省海河淮河小清河流域水利管理服务中心，山东 济南 250100；2.山东省水利科学研究院，山东 济南 250100)

1 概述

大坝的防渗墙是水库大坝最重要的组成部分。既有研究主要集中于防渗墙的防渗效果、渗流规律以及防渗墙的设计参数的优化研究。刘菊莲[1]基于ANSYS数值有限元研究了防渗墙对某水库地下渗流场影响规律。结果表明，防渗墙深度愈大，则水头差愈低。此外，随着防渗墙厚度增大，各特征面上水头差表现出减小的规律，但厚度超过1.5m后降幅趋于0。支永艳等[2]基于数值计算系统的研究了深厚覆盖层混凝土防渗墙深度确定方法。结果表明，采用沥青混凝土心墙和悬挂式混凝土防渗墙为主的防渗体系，可有效地降低坝体内部浸润线高度，浸润线在沥青混凝土心墙处骤降，大坝最高处浸润线降至排水层，下游出逸点位于下游排水体中下部；沥青混凝土心墙和混凝土防渗墙的渗透坡降均小于允许值80，坝体填筑材料和天然砂砾石层的水力梯度小于允许值0.15，均满足渗透稳定要求。王正成等[3]基于流固耦合理论系统的研究了水库垂直防渗墙合理深度的确定方法。结果表明，防渗墙的贯入度为0.6时为水库防渗墙的最优深度。实际工程中防渗墙的最优嵌入深度一般为3～5m。辛欣[4]基于渗流有限元软件建立模型模拟坝基渗流场。研究了防渗墙最优深度的确定方法。结果表明，防渗墙深度取40.5m时为最优深度。刘奉银等[5]基于数值计算分析了防渗墙深度对大坝渗流稳定性的影响。结果表明，闭式防渗墙可以有效控制渗流场，对边坡稳定性的提高具有积极影响。

如何科学的选取防渗墙参数是目前研究的重点。基于此，本文建立数值计算模型系统的研究了防渗墙嵌固深度对坝体稳定性的影响。研究结果为大坝除险加固提供参考。

2 数值模型

2.1 模型概述

本文研究的土石坝为带混凝土防渗墙的土石坝。假定河水流向为X轴，与河水流向垂直的为Y轴整个模型的计算长度为120m，高度为32m。数值模型中网格划分均采用四边形单元。岩土体本构为摩尔-库伦模型。为了模拟防渗墙和岩土体的接触，本文在两者之间设置了Goodman接触单元。最终模型的网格总数为15780个，节点单元为18980个。模型典型断面图如图1所示。

图1 大坝典型剖面图

考虑本文研究内容。在计算工况的选取中，计算了水库的校核洪水工况，其中大坝上游水位为41m，下游水位为28.7m。大坝的上下游垂直剖面及底面为不透水边界，上游库水位的下表面和下游库水位的下表明为水头边界。

2.2 数值计算模型参数

根据室内土工试验及参考相关类似材料研究，本文汇总得到本文数值计算各材料的渗透系数见表1。对应材料的物理力学参数见表2。

表1 各材料渗透系数汇总 单位：cm/s

表2 材料物理力学参数汇总

3 结果与分析

嵌固段深度2m，不同防渗墙厚度下坝体浸润线分布规律如图2所示。

图2 嵌固段深度2m对应坝体浸润线

结果表明，无防渗墙时，浸润线水位接近坝高的2/3位置，因此大坝存在安全隐患，当设置了防渗墙后，浸润线明显降低，特别是下游处降低幅度可达84%。证明防渗效果显著提升。此外，随防渗墙厚度增大浸润线水位降低[6]。

3.1 单宽渗流量变化规律

为研究防渗墙嵌固深度对大坝稳定性的研究，本文计算了防渗墙嵌固深度分别为0、2、4、6、8、10和12m以及防渗墙厚度分别为0.6、0.8、1.0和1.2m工况下坝基单宽渗流量规律。单宽渗流量随防渗墙嵌岩深度变化的规律如图3所示。

图3 嵌固段深度和单宽流量关系

结果表明，相同防渗墙厚度下，单宽渗流量随入岩深度的增大而减小，而相同入岩深度下，防渗墙厚度越小，单宽流量越大。在防渗墙厚度为0.6m，嵌固段深度为0m时，单宽流量达到最大，最大值为7.5×10-4m3/s；当防渗墙厚度为0.6m，嵌固段深度为2m时，单宽流量5.5×10-4m3/s；当防渗墙厚度为0.6m，嵌固段深度为4m时，单宽流量4.9×10-4m3/s；当防渗墙厚度为0.6m，嵌固段深度为6m时，单宽流量3.9×10-4m3/s；当防渗墙厚度为0.6m，嵌固段深度为8m时，单宽流量2.2×10-4m3/s；当防渗墙厚度为0.8m，嵌固段深度为10m时，单宽流量1.0×10-4m3/s；当防渗墙厚度为0.6m，嵌固段深度为12m时，单宽流量0.2×10-4m3/s。显然，随着防渗漏厚度和嵌固深度的增大，单宽流量的降低速率显著变缓。因此实际工程中，一味地追求单宽流量减小会导致施工成本明显增大，根据本文的研究，在满足规范要求的5.3×10-4m3/s的允许值下，防渗墙厚度为0.8m，嵌固段深度为2m为最优选择。

3.2 防渗墙底部渗透坡降变化规律

防渗墙底部渗流坡降与嵌固段深度的关系如图4所示。

图4 防渗墙底部渗流坡降与嵌固段深度的关系

结果表明，相同防渗墙厚度下，单防渗墙底部渗流坡降随入岩深度的增大而减小，而相同入岩深度下，防渗墙厚度越小，防渗墙底部渗流坡降越大。在防渗墙厚度为0.6m，嵌固段深度为0m时，防渗墙底部渗流坡降达到最大，最大值为58；当防渗墙厚度为0.6m，嵌固段深度为2m时，防渗墙底部渗流坡降为24；当防渗墙厚度为0.6m，嵌固段深度为4m时，防渗墙底部渗流坡降为10；当防渗墙厚度为0.6m，嵌固段深度为6m时，防渗墙底部渗流坡降为13；当防渗墙厚度为0.6m，嵌固段深度为8m时，防渗墙底部渗流坡降为14；当防渗墙厚度为0.6m，嵌固段深度为10m时，防渗墙底部渗流坡降为15；当防渗墙厚度为0.6m，嵌固段深度为12m时，防渗墙底部渗流坡降为82。显然，当防渗墙的嵌固段深度大于8m时，防渗墙底部渗流坡降随嵌岩深度增大而增大，尤其是当嵌岩深度大于10m时，渗流坡降变化速率显著增大。出现这一现象的主要原因是，随嵌固段的增大，防渗墙底端的水流通道体积减小，从而导致渗流速度变大，进而导致局部水头损失的渗流坡降上升。尤其是当防渗墙深度足够大，接近于弱风化基岩时，渗透坡降变化速率明显发生突变。综合本文的分析，嵌岩段深度2～10m为最优。

3.3 坝脚逸出点渗透坡降

坡脚溢出点坡降与防渗墙嵌岩深度的变化关系如图5所示。

图5 坡脚溢出点坡降与防渗墙嵌岩深度的关系

结果表明，在防渗墙厚度不变的情况下，坡脚溢出点坡降随嵌岩深度的增大而减小；而相同入岩深度下，防渗墙厚度越小，坡脚溢出点坡降越大。其中当防渗墙厚度为0.6m，嵌岩深度为0m时，坡脚溢出点坡降为最大值0.15；当防渗墙厚度为0.6m，嵌岩深度为2m时，坡脚溢出点坡降值0.06；当防渗墙厚度为0.6m，嵌岩深度为4m时，坡脚溢出点坡降值0.043；当防渗墙厚度为0.6m，嵌岩深度为6m时，坡脚溢出点坡降值0.04；当防渗墙厚度为0.6m，嵌岩深度为8m时，坡脚溢出点坡降值0.023；当防渗墙厚度为0.6m，嵌岩深度为10m时，坡脚溢出点坡降值0.017；当防渗墙厚度为0.6m，嵌岩深度为12m时，坡脚溢出点坡降值趋于0。显然，随着嵌岩深度和防渗墙厚度的提高，坡脚溢出点坡降减小速率显著降低。出现这一现象的主要原因是由于，随着防渗墙嵌岩深度的增大，渗流长度显著提高，造成更多的水头损失，最终导致渗透坡降降低。以防渗墙厚度为0.8m，嵌岩深度为2m为例，防渗墙坡脚溢出点坡降均比规范规定的允许值要小。但一味地追求降低坡脚溢出点坡降会大大增大施工成本。同时增大嵌岩深度也会增大基岩对防渗墙的约束，可能导致应力集中及刚性变形，对坝体的稳定性产生不利影响。综合来看，防渗墙厚度为0.8m，嵌固段深度为2.0m最为科学合理。

墙后水头与防渗墙嵌岩深度的变化关系如图6所示。

图6 墙厚水头与防渗墙嵌岩深度的关系

结果表明，在防渗墙厚度不变的情况下，坡脚溢出点坡降随嵌岩深度的增大而减小；而相同入岩深度下，防渗墙厚度越小，墙后水头越大。总体来看，厚度不同的防渗墙对应的水头下降幅度高达10%，其中防渗墙厚度为0.8m，嵌岩深度为2m下对应的墙后水头为12m，比最大水头降低20%，对于防渗墙的设计最优。

4 结论

本文采用数值模拟系统的研究了混凝土防渗墙嵌岩深度和厚度对大坝渗流稳定性的影响。得到如下几点结论。

(1)随着防渗漏厚度和嵌固深度的增大，单宽流量的降低速率显著变缓。根据本文的研究，在满足规范要求的5.3×10-4m3/s的允许值下，防渗墙厚度为0.8m，嵌固段深度为2m为最优选择。

(2)随嵌固段的增大，防渗墙底端的水流通道体积减小，从而导致渗流速度变大，进而导致局部水头损失的渗流坡降上升。综合本文的分析，嵌岩段深度2～10m为最优。

(3)过大的嵌岩深度也会增大基岩对防渗墙的约束，可能导致应力集中及刚性变形，对坝体的稳定性产生不利影响。