中洲圩堤防工程黏土铺盖防渗作用的应用分析

廖军萍

(宁都县梅江灌区水利枢纽管理中心,江西 赣州 342800)

0 引 言

水利堤防工程可采取黏土铺盖进行面板防渗,此类防渗措施对于水流流速小、河床开阔、冲刷较弱、坝基透水覆盖层较厚、无强透水夹层的均质地基均较为适用。黏土铺盖防渗无法截断水流,其主要通过增加渗径的方式降低地基渗流量及水力坡降,进而改变压力分布,降低渗透压力。黏土铺盖施工过程简单,技术简便;水面施工抛投快速、无需碾压便能快速闭气、止漏;黏土铺盖还具有较大柔性,与填土体、岸坡等结合快速,较好适应坝体坝基变形。

基于此背景,文章拟采用三维饱和-非饱和渗流有限元技术构建具体工程高面板砂砾石坝分析模型,并研究坝体浸润线受黏土铺盖渗透影响程度、渗缝宽度与渗透系数的关系,为止水失效工况下面板坝防渗处理提供理论依据。

1 工程概况

中洲圩堤全长10.74km,乐平市和万年县境内长度分别为6763m和3977m,其中沿左河道圩堤长度2.54km,沿右河道圩堤长度8.20km;中洲圩保护国土面积637hm2、耕地面积500hm2。该圩堤采用混凝土面板堆石坝,坝顶增设U型防浪墙,堆石坝迎水坡、背水坡坡比分别为1∶1.6和1∶1.5;全坝段共设置60条面板竖缝,且均采用硬平缝结构,缝面均匀涂刷防黏剂,缝底则设置铜止水。该圩堤面板堆石坝划分为盖重区、铺盖区、垫层区、特殊垫层区、过渡区、反滤料、堆石区、护坡及混凝土面板等。河床平趾板建基面、两岸趾板均设置在弱风化基岩上;坝体混凝土面板为变厚度设计,顶端及底部分别厚0.5m、1.3m;坝前黏土铺盖也采用变厚度设计,顶端及底部厚度分别为4.1m和34.5m。

2 模型构建

构建顺河向剖面有限元模型,展开止水性能、止水失效后坝体和坝基渗流场变化等情况的模拟分析。考虑到河道的对称性,在河床中心取半缝宽以及2块面板坝段,进行坝段中央面板止水失效情况分析。以坝轴线与平面上缝中线交点为原点,上下游向为x轴,且下游向为正;坝轴线方向为y轴,左岸向为正;铅垂方向为z轴,向上为正。在选取模型边界时,上游取坝踵以上1倍坝高,即x=-900m;下游取坝址以下1倍坝高,即x=900m;左岸取至第2块面板边缘;右岸取至局部失效面板边缘;垂直向取至防渗帷幕以下210m。

按照自动剖分方式选取控制剖面,并构建超单元[1]。为准确模拟面板竖缝,并降低计算量,应从面板缝开始,不断增大y向坐标值;并以y取2.5、5.0、7.5、10.0、12.5、15.0mm等值依次表示0.5条、1.0条、1.5条、2.0条、2.5条、3.0条的面板竖缝条数,对应的面板宽度依次在2.5～32000mm、5～32000mm、7.5～32000mm、10～32000mm、12.5～32000mm、15～32000mm。

针对宽度分别为5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm的面板竖缝构建模型,以模拟可能的渗流情形。考虑到失效竖缝失效情况复杂,渗透系数变化较大,为模拟其强透水性,将其渗透系数暂定为100cm/s。结合地勘报告及工程实际确定堤防加固工程坝体及坝基岩体渗透系数取值,具体而言,上游铺盖区、盖重、垫层区、特殊垫层区、过渡区、砂砾石区、反滤料、排水区、下游堆石区、面板渗透系数分别为1.00×10-5cm/s、1.00×10-2cm/s、4.10×10-3cm/s、8.78×10-5cm/s、6.48×10-3cm/s、3.34×10-3cm/s、3.18×10-2cm/s、1.64×100cm/s、5.07×10-2cm/s、1.00×10-8cm/s;中等透水、弱透水、微透水、相对不透水基岩渗透系数依次取1.00×10-4cm/s、7.50×10-5cm/s、2.50×10-5cm/s、1.00×10-5cm/s。

3 黏土铺盖防渗效果

3.1 黏土铺盖的渗透稳定性

水下黏土铺盖区所在砂砾覆盖层受到水流作用而表现出的渗透破坏是引发黏土铺盖破坏的主要原因[2]。为此,黏土铺盖区覆盖层必须具备较好的渗透稳定性,逸出坡降不得超出允许坡降,层间渗透系数也应符合防止发生内外部管涌的要求。对于均质砂砾所组成的地基,渗流沿堆石坝面板均匀分布,基本不会出现扬压力明显集中现象,黏土铺盖防渗效果较好。而对于包含强透水带、透镜体、不连续带的非均质砂砾地层,渗透水压力会顺着薄弱层间传递,并在背水侧积蓄成较大扬压力,引发黏土铺盖局部崩陷及集中渗流。

综合以上分析,圩堤加固工程面板堆石坝黏土铺盖在运行过程中受到两方面渗流的作用,一是从黏土铺盖顶面垂直流经下部覆盖层后汇入下游;二是从黏土铺盖前端流入覆盖层。

3.1.1 垂直向渗透稳定

黏土铺盖垂直向渗流运动引发的结构体渗流变形形式受土料属性和密实度的影响较大。黏土块之间存在架空结构,难崩解,渗流也多表现为管流,以管道冲刷为主要破坏形式。此后随着含水量的增大,逐渐软化密实,进而表现为局部流土和冲刷的混合破坏形式[3]。

3.1.2 与坝基接触面间的渗透稳定

该圩堤加固工程黏土铺盖布置在截流粗化的覆盖层上,与砂砾地基紧密接触。在顺黏土铺盖底面和坝基接触面间的水平渗流对铺盖造成接触冲刷时,砂砾石内的细土粒最先受到渗流的影响并启动;随渗流比降的持续提升,黏土铺盖底部随即遭到冲刷影响,土体颗粒持续流失,最终造成铺盖穿孔,流土过程也随之结束。分散性较好的黏土进入砂砾层空隙后起到淤积粗化作用,地基空隙直径持续减小,对此类破坏起到一定的抵御效果。

3.2 对坝体渗流场的影响

假定100m坝高高程以下接缝全长失效,则通过分析坝体竖缝止水失效前后典型断面渗流场可以看出,竖缝止水失效前,垫层后坝体浸润线最大高程取2701.20m,且浸润线变化平缓,坡降均值为170.21m,垫层区及主砂砾堆石区坡降均值分别为0.0491和0.0540。竖缝止水失效后,垫层后坝体浸润线最大高程取2709.14m,坡降均值为154.30m,垫层区及主砂砾堆石区坡降均值分别为0.2347和0.0910。考虑到面板竖缝前黏土铺盖具有较小的渗透系数,失效竖缝周围的等势线也逐渐集中至面板前的铺盖内。根据竖缝止水失效后铺盖内等势线分布的集中程度判断,竖缝止水失效后黏土铺盖坡降呈增大趋势,但并未超出允许范围;止水失效前竖缝处坝体及坝基单宽渗流量均为1.74m2/d,失效后单宽流量增大至10.76m2/d。充分说明,竖缝止水失效过程中黏土铺盖起到了一定防渗作用,但因防渗效果劣于面板,造成竖缝处渗流量明显增大的趋势。

3.3 黏土铺盖渗透系数敏感性

假定100m坝高高程以下接缝止水全长失效,则通过分析接缝宽度为5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm时黏土铺盖渗透系数和垫层后坝体浸润线高程的关系取值(表1)可以看出,在坝体竖缝止水失效后,因相应位置的黏土铺盖代替面板发挥了主要的防渗作用,故坝体浸润线受到黏土铺盖渗透系数变化的影响较大;随着黏土铺盖渗透系数值的增大,其阻隔渗水的能力持续减弱,浸润线最终升高至止水失效竖缝的顶端,而后增速减缓,整体表现为二次抛物线形状;以上变化趋势说明,当堤防加固工程堤坝面板竖缝止水失效后,黏土铺盖渗透系数取值及阻渗性能便成为整个堤坝防渗体系的关键[4]。

表1 黏土铺盖渗透系数与垫层后坝体浸润线高程

当黏土铺盖渗透系数取定值的情况下,随着竖缝宽度的增大,坝体典型断面浸润线呈升高趋势,但因受到竖缝止水失效长度的制约,升幅不大;浸润线最终均抬升至竖缝顶部区域。失效竖缝宽度对坝体浸润线的影响程度明显小于黏土铺盖渗透系数的影响程度。

因受到竖缝止水失效的影响而造成浸润线波动时,为保持坝体和坝基渗流稳定,也就是在竖缝宽度既定时使黏土铺盖渗透系数取最小值,可暂不对失效竖缝止水结构实施修补。100m坝高高程以下竖缝全长失效后,如果坝体浸润线高程渗流量符合渗透稳定要求,则可得出黏土铺盖渗透系数和面板失效缝宽之间的关系,具体见表2。

表2 黏土铺盖渗透系数和面板失效缝宽

根据表中结果,随着失效竖缝宽度的增大,在面板浸润线及渗流量不变的情况下,坝前黏土铺盖渗透系数呈减小趋势;这种情况下如果面板竖缝止水失效,则可暂不修补。据此可以判断,因受到强震等外界原因或坝体自身材料、施工质量等内部原因的影响,面板竖缝止水开裂,则在竖缝高度既定的情况下,只需采取恰当措施保证黏土铺盖渗透系数达到《混凝土面板堆石坝设计规范》(SL 228-2013)及工程设计要求,无需展开专项防渗修补,便可保证面板坝正常运行。

4 结 论

综上所述,在圩堤加固工程混凝土面板堆石坝竖缝止水失效后,黏土铺盖能发挥较好的防渗作用,且黏土铺盖渗透系数变化对坝体浸润线高程的影响程度比竖缝宽度更大。在面板堆石坝设计时,必须严格控制黏土铺盖渗透系数取值范围,以降低强震等因素造成坝体面板竖缝失效而增大防渗修复任务量。限于篇幅,文章仅展开了竖缝止水失效宽度及黏土铺盖渗透系数对铺盖防渗效果影响的分析,为全面评价黏土铺盖防渗效果,还必须研究其对垫层料、水平缝失效的影响程度。