大坝防渗墙参数敏感性分析

张永武

(甘肃省金昌市永昌县西河水利管理处，甘肃 金昌 737200)

塑性混凝土防渗墙是土石坝体中较为常见的一种防渗结构，由于其良好的防渗效果应用越来越广泛，为此，许多研究人员对此进行了一系列研究。

余枫璞[1]以岩前水库除险加固工程为例，研究了塑性混凝土防渗墙在水利工程中的关键施工工艺。冯蕊、何蕴龙[2]考虑到了地震的影响，通过数值模拟手段研究了地震作用下深厚覆盖层高坝坝基的防渗性能。许建堂[3]通过数值模拟手段，分析了不同因素对堆石坝地基防渗墙应力应变的影响情况。杜雪儿[4]结合弹性波映像及高密度面波探测技术，提出了一种堤防防渗墙完整性快速检测方法，并通过相似模型试验验证了该方法的有效性。邹德高[5]结合增量迭代法和有限元-比例边界有限元耦合方法，对高沥青心墙坝防渗墙受力状态进行了精细化分析，并探讨了土体局部大应变防渗墙应力估算机制。刘达[6]采用数值计算分析、室内试验及现场检测相结合的方法对大孔径螺旋钻钻孔高喷防渗墙的受力特性和施工方法进行了研究，并对防渗墙成墙效果进行了评价。

随着计算机行业的发展，有限元数值模拟逐渐应用到工程领域的计算中，展现出了良好的可靠性，成为重要的研究手段之一。现如今，虽然对防渗墙的数值模拟研究众多，但仍以二维模型为主，与实际情况存在一定差异，且对参数敏感性分析不足。在本文中，依托某土石围堰工程案例，通过三维有限元数值软件对坝体抗渗性能和防渗墙的主要参数进行了分析。本文的研究成果可为相似工程提供一定的借鉴、指导意义。

1 工程概况

本文依托某大坝工程为例。根据该工程的特点，拟采用混凝土防渗墙+铺设土工膜的方式进行防渗。最大坝高49.5m，坝顶长度430.6m，坝顶宽度为10m，坝底宽度为230m。根据监测资料，近半年最大流量为4550m3/s，洪峰流量约为45000m3/s，蓄水期大坝水位48.5m，下游水位5.3m。

地质条件方面，大坝地基主要为泥质粉砂岩和含泥细砂岩，弱风化岩层厚度在12～20m区间，具有较强的透水性，微风化岩层厚度在20～30m区间，透水性极弱。图1为该坝体断面图。

图1 坝体断面示意图

2 数值模型

通过有限元软件对大坝进行了数值模拟，以分析防渗墙在大坝中的防渗效果。

模型上下游计算范围均取约4倍坝体高度200m，底部边界为基岩面以下75m，约1.5倍坝体高度。边界条件方面，根据工程实际情况和以往模拟经验，模型底部设为固定约束，四周为法向约束，顶部及坡面设为自由约束，上游水头值设为52.5m，下游水头值设为9.5m。依据坝体材料和修筑方式，将坝体划分为三部分，即水上部分、水下部分和基岩。坝体材料遵循各向同性假设，根据渗透变形试验，对部分材料的渗透系数进行取值，见表1。

表1 材料渗透系数 单位：m/s

实际工程中，土工膜厚度为1mm，为方便网格划分，对土工膜进行了等效处理，依据等效变换法，将土工膜等效成了厚度1m、渗透系数为1.0×10-9m/s的防渗单元。

在划分网格时，对防渗墙和坝体坡脚等位置进行了局部网格加密，共划分出38156个10节点的有限元网格单元，如图2所示。

图2 坝体有限元计算模型网格图

在本次数值模拟中，防渗墙考虑的主要参数为防渗墙厚度和入岩深度。

防渗墙厚度方面，其他条件一定时，防渗墙抵抗渗透破坏的能力由厚度决定，厚度越高，运行状况越好，但同时建设成本也越高。防渗墙厚度估算公式如下：

(1)

式中，d—防渗墙厚度，m；K—抗渗安全系数，取5；H—防渗墙上最大作用水头，本文为43.2m；[J]max—防渗墙破坏时最大渗透坡降，本文取300。

根据相关工程经验，平原地区的防渗墙厚度通常取0.6～1.3m，主要由施工条件确定。按梯度法，本文选取了0.6、0.8、1.0、1.2m四种防渗墙厚度进行参数分析。

考虑到本项目的岩层特性，需将防渗墙延伸至基岩以达到渗流控制效果。根据上文所述，微风化层基岩渗透系数为1×10-8m/s，因此以该层基岩作为不透水层。以2m为步长，对防渗墙0～12m入岩深度进行参数分析。

3 结果分析与讨论

3.1 稳定渗流分析

表2展示了有无防渗墙工况下在蓄水期和运行期的孔隙水压力对比情况。从表2中可以看出，蓄水期阶段孔隙水压力最小值为-762.79kPa，最大值为812.13kPa。运行期阶段，孔隙水压力最小值为-774.92kPa，最大值为724.78kPa。有无防渗墙两种工况相比，主要差异体现在运行期阶段，相较于无防渗墙工况，后者孔隙水压力数值更大，表明设置防渗墙可以发挥出一定的防渗效果。

表2 孔隙水压力计算结果 单位：kPa

为研究防渗墙各位置处的渗透情况，对防渗墙周边布置有18个监测点，具体监测点布置情况如图3所示。

图3 各监测点计算结果

图3(a)为各监测点总水头分布情况，从图3(a)中可以看出，在防渗墙上游蓄水期总水头明显大于运行期水位，而在下游即监测点10～18，蓄水期与运行期总水头较为接近，无明显的差异。

图3(b)为各监测点孔隙水压力分布情况。从图3(b)中可以看出，孔隙水压力沿监测点分布曲线呈现“V”型分布，即先减后增的变化趋势，最大孔隙水压力出现在上游2#监测点位置处，最小孔隙水压力出现在下游10#监测点位置处。两阶段相比，上游蓄水期孔隙水压力明显大于运行期，但分布规律基本一致。最大孔隙水压力为423kPa，最小孔隙水压力为-47.2kPa。

图3(c)为各监测点渗透坡降分布情况。从图3(c)中可以看出，渗透坡降曲线呈“M”状分布，沿防渗墙中轴线对称分布。3#～7#监测点与12#～16#监测点渗透坡降较大，峰值为34.6。两阶段对比，蓄水期渗透坡降明显大于运行期，但分布规律较为相近。

3.2 参数敏感性分析

图4展示了防渗墙厚度为1m工况下不同入岩深度对坝体浸润线的影响情况。从图4中可以看出，随着防渗墙入岩厚度的增加，坝体下游浸润线呈现明显下降趋势，即坝体浸润线高度与防渗墙入岩深度呈现负相关关系，表明增加墙体入岩深度能明显提高防渗墙抗渗性能。但随着墙体入岩深度的增加，坝体浸润线下降程度逐渐降低，即效果逐渐下降。因此，应考虑到实际施工情况，合理选择防渗墙入岩深度。

图4 防渗墙厚度为1m时不同入岩深度对坝体浸润线影响

图5展示了防渗墙入岩深度为2m时不同墙体厚度对坝体浸润线影响情况。从图5中可以看出，相较于无防渗墙，设置防渗墙后能显著降低下游坝体浸润线，体现了防渗墙良好的防渗性能，也说明了在流量大的区域设置防渗墙的必要性。增加防渗墙厚度，亦能降低下游坝体浸润线，浸润线高度与防渗墙厚度呈现负相关关系，且随着墙体厚度的增加，浸润线高度呈现线性下降的变化规律。

图5 防渗墙入岩深度为2m时不同厚度对坝体浸润线影响

图6展示了不同工况下坝体渗流各参数变化情况。图6(a)为不同防渗墙厚度工况下坝基单宽渗流量随防渗墙入岩深度的变化曲线。从图中可以看出，随着防渗墙入岩深度的增加，坝基单宽渗流量呈现线性下降趋势。同一入岩深度条件下，各工况相比，防渗墙厚度越高，坝基单宽渗流量亦越低，两者呈现负相关关系。

图6 防渗墙厚度与入岩深度对抗渗性能的影响

图6(b)为不同防渗墙厚度工况下防渗墙后作用水头随入岩深度的变化曲线。从图6(b)中可以看出，防渗墙后作用水头受防渗墙入岩深度影响大于墙厚造成的影响，随着入岩深度的增加，墙后作用水头逐渐下降，在防渗墙入岩深度0～2m区间下降幅度最为显著，且墙体厚度越小，下降幅度越明显。

设置防渗墙后，防渗墙底部易存在渗透坡降集中现象的出现。图6(c)为不同工况下防渗墙底部渗透坡降随墙体入岩深度变化曲线。从图中可以看出，随着防渗墙入岩深度的增加，防渗墙底部渗透坡降呈现先减后增的变化趋势，未呈现随着入岩深度增加渗透坡降增加或减小的一般性规律。考虑到渗透坡降允许值为25，故防渗墙入岩深度设置在2～10m区间可满足要求。各工况相比，墙体厚度越大，防渗墙底部渗透坡降越低，两者呈现负相关关系。

图6(d)为不同工况下坝脚溢出点渗透坡降随墙体入岩深度变化曲线。从图6(d)中可以看出，坝脚溢出点渗透坡降与墙体厚度和入岩深度均呈现负相关关系。曲线拐点出现在墙体入岩深度为1m位置处，防渗墙入岩深度为1m工况较入岩深度为0m工况坝脚溢出点渗透坡降下降了46.81%。该位置处渗透坡降允许值为0.12，结合图6(b)和图6(c)亦可以看出，防渗墙厚度对渗透坡降影响较为有限。再结合施工成本综合考虑，设置防渗墙厚度为0.8m入岩深度为2m即可满足设计要求，为较佳参数[7]。

4 结语

为分析大坝防渗墙防渗性能及主要影响因素，本文通过三维有限元软件建立了大坝防渗墙数值仿真模型，得出结论如下：

(1)孔隙水压力沿监测点分布曲线呈现“V”型分布，上游蓄水期孔隙水压力明显大于运行期，但分布规律基本一致。

(2)相较于无防渗墙，设置防渗墙后能显著降低下游坝体浸润线，浸润线高度与防渗墙厚度和入岩深度呈现负相关关系。与防渗墙厚度相比，防渗墙入岩深度因素对墙后作用水头影响程度更显著，。

(3)坝体渗透坡降和坝脚溢出点渗透坡降受防渗墙入岩深度影响较大，满足设计要求下，综合经济效益，设置防渗墙厚度0.8m、入岩深度2m效果较佳。