深厚覆盖层土石围堰悬挂式防渗墙参数优化设计

马发明，卢 泽，陶芳煜，周 鑫，白玉莲

(1.中国安能集团第三工程局有限公司成都分公司，四川 成都 611135；2. 重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074)

0 引 言

土石围堰的渗透稳定一直是水利工程中的重要研究内容，特别是当其建于环境复杂的深厚覆盖层，其内部渗透稳定更加难以准确分析[1]。围堰工程作为一种临时挡水建筑物，应达到保障工程安全、控制工期和成本、减轻环境负效应的总体目标[2]。因而只有充分考虑渗流场在各种因素影响下的动态特点，方能在工程设计、施工和运行的全过程中布置和实施及时、有效的调控措施。

已有成果多基于保障工程安全方面分析了不同挡水建筑及其防渗方案在各种地质环境下的渗流特征及稳定性。如张拥军等[3]通过对汉江兴隆水利枢纽一期土石围堰渗流分析表明，当采用塑性混凝土防渗墙上接复合土工膜心墙方案，悬挂式防渗墙不能有效控制渗透出逸比降和渗流量，与下部相对不透水层接触的着底式防渗墙渗流控制效果显著。卢晓春等[4]对乌东德水电站上游土石围堰渗流及边坡稳定性开展了研究，验证了塑性混凝土防渗墙上接复合土工膜的防渗方案的合理性，防渗效果显著。王睿星等[5]指出深覆盖层上高土石围堰的地基土体、基岩及混凝土防渗墙的渗透系数对围堰渗流场具有显著影响。王正成等[6]对深厚覆盖层中弱透水层对渗流场的影响进行了研究，发现深度越小的弱透水层控渗效果越佳，深度越大的弱透水层与防渗墙形成的半封闭式联合防渗体系，越能有效控制渗流量和抑制出逸坡降。Sivakugan[7]强调了流速和水力梯度对于评估堰基稳定及基坑排水指标具有重要意义。王常明等[8]发现防渗墙厚度的变化对防渗效果影响较小，防渗墙的入岩深度可有效控制围堰工程的单宽渗流量和防渗墙后作用水头。岑威钧等[9]发现防渗墙深度、覆盖层深度和渗透性均显著影响坝基渗流特性。上述研究很好地总结了挡水建筑中堰体、堰基、防渗墙参数等多种对挡水建筑渗流场及稳定性产生影响的因素。

进一步考虑控制工期和成本、减轻环境负效应研究方面，冯亚新等[10]为了合理优化防渗系统的经济成本，对新疆某深厚覆盖层上面板堆石坝的防渗帷幕深度、厚度、渗透系数进行了敏感性分析，为堆石坝的渗流分析提供依据。罗玉龙等[11]指出未来应注意深厚覆盖层中潜蚀时间效应及其长期影响的评价和控制。可见对于深厚覆盖层土石围堰，有必要从多种角度分析其渗流特征，在充分保障工程安全前提下，应尽可能考虑工期、成本及环境负效应等方面的因素。在此背景下，本文首先从保障工程安全方面系统地对深厚覆盖层土石围堰悬挂式防渗墙的合理设计高度进行了探讨，分析了20 a一遇洪水和5 a一遇洪水工况下不同悬挂式防渗墙高度对围堰渗流特征的影响规律。此外，考虑到工期条件限制，特针对围堰防渗墙高度为50 m时，堰前不同水位条件下的渗流特征进一步展开分析及论证，以期为该土石围堰的防渗设计提供参考。

1 工程概况

坝址区位于金沙江上游河段，区内地势北高南低，两岸山高谷深，呈现“V”形谷，属北亚热带边缘气候[12]。研究土石围堰位于坝轴线上游200 m处，河床段覆盖层厚35～58 m，物质组成以砂卵砾石为主，局部夹砂层透镜体，结构中密～密实，属强～极强透水性，承载、变形性能满足围堰要求。基岩岩性为黑云母石英片岩，风化、卸荷及倾倒变形强烈，上游围堰地质横剖面如图1所示。该围堰按拦挡20 a一遇洪水设计，设计流量5 960 m3/s，堰前水位2 532.8 m，考虑浪高、安全超高等，堰顶高程2 533.8 m，堰顶轴线长342 m，最大堰高51.8 m，堰顶宽11.12 m。由于工期紧张，设计方案确定为堰体防渗采用土工膜斜墙，堰基防渗采用悬挂式混凝土防渗墙。混凝土防渗墙顶高程为2 502.5 m，围堰上、下游坡比分别为1∶2.0、1∶1.75，上游围堰典型剖面如图2所示。

图1 上游围堰地质横剖面

图2 上游围堰典型剖面(单位：m)

2 土石围堰的有限元模拟

2.1 有限元模型的建立

本文基于二维有限元方法开展了对坝址区上游土石围堰的建模工作。建模流程如下[13]：①绘制土石围堰典型剖面几何轮廓。建立直角坐标系，确定围堰及地层尺寸参数，选取围堰上游侧坡脚作为原点。②各部分集合体赋予材料参数。③建立分析步。本次分析主要针对稳定渗流条件下的围堰渗流特征。④定义荷载及边界条件。⑤对模型进行网格划分。⑥模型检验与计算。

本文主要对边界条件的设置及网格划分情况进行说明。对围堰上游堰坡表面及堰前覆盖层表面施加随高程线性变化的孔隙水压力模拟堰前水位(2 532.8 m)；对堰后基坑表面孔压为0时模拟堰后基坑水位(2 482 m)；将围堰下游堰坡表面设为排水界面。计算单元类型为四结点平面应变四边形单元(CPE4P)。由于只模拟渗流作用，对模型所有节点在X、Y方向均施加约束。最终生成用于进行防渗墙优化设计的基础分析模型如图3所示。

图3 上游土石围堰二维有限元模型

2.2 模型参数的选取

模型参数主要考虑防渗墙厚度、高度及堰体、堰基的渗透系数。其中防渗墙的厚度δ主要根据防渗墙破坏时的水力梯度来确定[14]。

δ=H/Jp

(1)

Jp=Jmax/K

(2)

式中，H为防渗墙上作用最大水头；Jp为防渗墙的允许水力梯度；Jmax为防渗墙破坏时的最大水力梯度；K为全系数。根据文献[8]，以围堰上下游水位差确定作用最大水头H为0.8 m；根据工程类比确定Jp在60～100之间，其中安全系数取5，Jmax≥300。通过计算得出防渗墙厚度δ为0.51～0.85 m。考虑到国内外许多相似工程案例防渗墙厚度取值多为0.8 m[15]，且有关研究表明同防渗墙深度的变化相比，防渗墙厚度变化对防渗效果影响并不敏感[8]。故综合确定本算例围堰悬挂式防渗墙厚0.8 m。

悬挂式防渗墙最小深度S(基础埋深)的初步估算可以通过下式确定[14]

(3)

式中，C0为莱茵系数，根据莱茵系数表[14]中坝基土类型表述，C0可暂定为2.5；H1、H2分别为围堰上、下游水位高度，取值为50.8 m和0 ；L1、L2分别为防渗墙前、后的水平渗径长度，取值为51.34 m和186.58 m。带入后，经计算可得悬挂式防渗墙最小深度S≥23.5 m。若考虑堰体中防渗墙埋深20.5 m，防渗墙总高度应不小于44 m。

基岩和覆盖层的渗透系数参考试验资料确定，其他材料渗透系数根据工程类比确定，渗透参数如表1所示。

表1 围堰材料渗透参数 cm/s

2.3 防渗墙参数优化设计方案

本研究皆在针对防渗墙深度参数进行优化设计，探究20 a一遇洪水和5 a一遇洪水2种工况作用下，不同防渗墙深度对围堰渗流特征(浸润面位置、水力坡降及渗流量)的影响。根据前文初步估算的防渗墙总高度应不小于44 m，同时考虑弱风化层底面(2 418 m)以下为不透水层，当防渗墙顶高程为2 502.5 m时，对总高度在25 (覆盖层中深4.5 m)、35、40、45、50、55、60、65、70、75 m及无防渗墙情况共计11种工况下的围堰渗流特征进行探讨。此外，以悬挂式防渗墙深度50 m为例，探讨了围堰上游不同水位高程下围堰渗流特征的变化情况。以期为工程实际提供参考。

3 结果和讨论

通过上述方案，本文获取了20 a一遇洪水和5 a一遇洪水两种工况在11种防渗墙高度下的浸润面位置、等势线及流速矢量(水力坡降)，如图4、5、6所示(以20 a一遇洪水防渗墙高50 m为例)。

图4 浸润面位置

图5 等势线

图6 流速矢量

3.1 浸润面位置分析

为了揭示两种工况下不同防渗墙高度对浸润面位置的影响规律，分别选取防渗墙后作用水头和逸出段高程作为观测指标，绘制浸润面高程与防渗墙高度关系，如图7、8所示。

图7 浸润面墙后作用水头高程与防渗墙高度关

从图7可以看出，两种洪水工况下，当防渗墙高度未进入弱风化岩层之前(防渗墙高70.5 m)，该围堰的墙后浸润面高程随着防渗墙总高度的增加而逐渐降低，且在防渗墙总高度接近70.5 m时墙后浸润面高程降低幅值略有增大；当防渗墙高度进入弱风化岩层4.5 m后，墙后浸润面高程显著降低至2 482.3 m，近乎接近于堰基面高度。从图8可以看出，两种洪水工况下，逸出段浸润面高程同样也会随着防渗墙高度的增加而逐渐降低，但同墙后作用水头高程相比，当防渗墙高度超过30 m后，其变化特征呈现出阶梯状下降的特点。

综合分析不同防渗墙高度下的浸润面变化不难看出，防渗墙高度对浸润面高程变化有着明显控制作用，且对墙后浸润面高程变化的灵敏性要大于对逸出段的变化，显然这与抵达浸润面逸出段的渗径稍长有关。

3.2 水力坡降分析

为了揭示2种工况下不同防渗墙高度对围堰水力坡降的影响规律，分别选取围堰墙底水力坡降和堰脚水力坡降作为观测参数，绘制浸润面高程与防渗墙高度关系，如图9、10所示。

从图9可知，2种洪水工况下，防渗墙高度不超过30 m时，墙底水力梯度会缓慢升高，当防渗墙高度在30～50 m时，墙底水力梯度基本维持恒定，随着防渗墙高度超过50 m后，墙底水力梯度则会逐渐增大，越接近覆盖层底部，增长幅值越大。从图10可知，两种洪水工况下，堰脚处的水力坡降均随着防渗墙高度的增加逐渐降低，且当防渗墙高度接近覆盖层底部时，堰脚处水力坡降降低幅度显著增大。

图10 堰脚水力坡降与防渗墙高度关系

综合分析不同防渗墙高度下的围堰内部水力坡降变化不难看出，围堰墙底和堰脚水力坡降的变化趋势刚好相反。从变化幅度上看，在防渗墙高度接近覆盖层底部时，两处水力坡降均会产生较大幅度的变化，特别是当防渗墙高75 m穿过覆盖层进入弱风化岩层后，墙底水力坡降大于12，堰脚水力坡降小于0.03。造成此现象的原因主要是随着防渗墙高度的增加，过水断面不断减小，渗径逐步延长，墙底流速、水力坡降增大，堰脚水力坡降减小。

3.3 渗流量分析

为了揭示2种工况下不同防渗墙高度对围堰渗流量的影响规律，绘制围堰单宽流量与防渗墙高度关系图，如图11所示。

图11 围堰单宽流量与防渗墙高度关系

从图11可以看出，2种洪水工况下，围堰单宽流量随着防渗墙高度的增加逐渐降低，且当防渗墙高度不超过60 m时，单宽流量与防渗墙高度呈线性特征，当防渗墙高度接近覆盖层底部时，单宽流量的降低幅度明显增大。当防渗墙高75 m穿过覆盖层进入弱风化岩层后，单宽流量可减小到1.27×10-4m3/s。可见随着防渗墙高度的增加，对渗流量的控制作用越来越显著。

3.4 不同水位下50 m防渗墙渗流特征分析

综上所述，通过系统分析防渗墙高度与浸润面高程、围堰水力坡降、单宽流量的关系发现，当设置防渗墙高度为75 m时，浸润面高程、堰脚水力坡降及单宽流量均能维持在较低值，2种工况下的围堰各项渗流参数均得到了很好的控制。但是需要指出的是，当防渗墙高度达到75 m时，势必对防渗墙施工难度、工期及经济性提出更高要求。本工程为了在紧张的工期内完工，同时兼顾安全与成本，需要进一步考虑悬挂式防渗墙的合适高度以满足各方需求。根据对前述围堰渗流特征的总结可以看出，当防渗墙高度为50 m时，围堰水力坡降、浸润面高程及渗流量均能得到一定程度的控制，能够一定程度兼顾施工工期与经济性，且通过对已有工程的类比分析具有一定可行性。因而进一步开展了不同水位下50 m高防渗墙的渗流特征分析。本文选取了20 a一遇洪水2 482 m～2 533.8之间的6个上游水位高度，获得不同上游水位的围堰浸润面、水力坡降及单宽流量变化曲线如图12所示。

图12 不同渗流特征参数与上游水位高度关系

从图12可以看出，随着上游水位地不断升高，围堰的浸润面高程、水力坡降及单宽流量都随着增大，其中墙后浸润面高程、墙底水力坡降和单宽流量都随着上游水位的升高呈线性增长规律；逸出段高程随着上游水位的升高呈阶梯状增长；堰脚水力坡降随着上游水位的升高呈对数型增长。

通过上述规律可以总结出，当围堰上游水位低于2 500 m时，围堰下游坡面并不会形成逸出段；而当围堰上游水位高于2 500 m后，则应注意观察坡面逸出段的渗透稳定性，以防管涌等局部破坏产生，必要时应及时抽水降低堰脚浸润线高程。

4 结论与建议

本文通过对深厚覆盖层土石围堰的二维有限元数值模拟，系统分析了20 a一遇洪水和5 a一遇洪水工况下不同悬挂式防渗墙高度对围堰渗流特征的影响规律，此外，为了保障施工工期、经济性及安全满足要求，进一步探讨了防渗墙高50 m时围堰上游不同水位高程对渗流的影响。得到如下结论：

(1)在2种洪水工况下，首先，随着防渗墙设计高度的增加，浸润面高程随之降低，同墙后作用水头高程相比，当防渗墙高度超过30 m后，其变化特征呈阶梯状下降的特点；其次，随着防渗墙设计高度的增加，围堰墙底和堰脚处的水力坡降变化趋势刚好相反，墙底处水力坡降在防渗墙高度超过50 m后显著增加；最后，随着防渗墙设计高度的增加，当防渗墙高度不超过60 m时，单宽流量与防渗墙高度呈线性特征，当防渗墙高度进一步增加后，单宽流量的降低幅度逐渐增大。特别是当悬挂式防渗墙设计高度由渗透性较强的覆盖层进入到渗透性中等～较弱的弱风化岩层后，对围堰渗流特征具的控制作用更为显著。

(2)当需要考虑悬挂式防渗墙施工工期、安全及经济性要素时，防渗墙高度设置为50 m具有一定可行性。在该方案下，随着上游水位地升高，围堰的浸润面高程、水力坡降及单宽流量都随之升高。相关曲线可为不同水位时期的渗流控制提供参考。此外，通过与公式(3)获得的最小防渗墙高度的估值44 m对比可见，该估值对于透水性较强的砂卵砾石深厚覆盖层偏危险。

(3)通过前述分析表明，当选取防渗墙设计高度为50 m时，应考虑上游水位不断升高情况下的渗流控制，合理设置反滤防护层，必要时可在堰前进行水平铺盖延长渗径[16]，当围堰上游水位高于2 500 m后应注意观察坡面逸出段的渗透稳定性，以防管涌等局部破坏产生，必要时应及时抽水降低堰脚浸润线高程，以保障围堰渗透稳定。