摘要: 本文中举出吴家园水库大坝作为实际例子, 通过渗流有限元的分析方法, 来对混凝土防渗墙的质量缺陷以及其对大坝渗流控制的影响进行分析。从分析的结果可以看出, 防渗墙正常那么防渗就能满足工程安全要求; 但如果防渗墙出现缺陷, 那么坝体各部位的渗透坡降都会受到极大影响。其中防渗墙出现裂缝的位置这一因素比裂缝的宽度对渗流控制造成的影响更大, 而防渗墙悬挂比墙体渗透系数增大对渗流控制造成的影响更大。
关键词: 防渗墙; 渗流; 土石坝
混凝土防渗墙防渗效果较为可靠, 目前在国内水利工程中应用比较广泛, 国内外学者对其各方面进行了大量研究,主要为防渗墙的施工设计与应用、防渗墙的渗透特性研究、低弹模混凝土防渗墙材料的研制等进行了大量研究。但是, 由于施工质量的原因, 混凝土防渗墙 有可能出现裂缝、墙体渗透系数超过设计指标以及墙体悬挂等问题。关于这些不利情况对大坝渗流控制的影响的研究, 目前尚不多见。[1]
本文利用吴家园水库大坝的水文地质工程地质参数, 对采用混凝土防渗墙加固的大坝典型断面进行了渗流有限元计算, 模拟分析了当防渗墙的裂缝在不同位置、不同裂缝开度时, 或者当墙体渗透系数增大、墙体悬挂时, 大坝渗流状态的变化情况。
1 工程概况
吴家园水库位于浙江省苍南县藻溪镇, 是一座以防洪、供水为主, 兼顾灌溉、发电综合利用的中型水库。大坝为黏土心墙土石坝, 外部为砂砾坝壳, 上游设有黏土铺盖。坝顶高程为49. 60 m, 最大坝高 32. 49 m, 坝顶长 232. 6 m, 坝顶宽 6. 0 m。坝基从上到下依次为砾砂层( 最厚 34 m)、弱风化流纹斑岩。工程始建于 1958 年底, 大坝运行 40 多年, 大坝防渗体系存在的缺陷有: 基础处理不彻底, 齿槽与坝基接触面渗透稳定性存在隐患; 坝体填筑质量差, 心墙渗透系数偏大, 心墙后反滤层不合格, 坝体渗流量较大。2007 年安全鉴定为“三类坝”, 随后进行除险加固设计。除险加固后水库死水位23. 37 m, 正常蓄水位为 44. 50 m, 设计洪水位 46. 611 m, 校核洪水位为48. 24 m, 总库容为2 164 万立方米。大坝防渗加固采用了低弹模混凝土防渗墙, 弹性模量 E28≤5000 M P a, 渗透允许比降≥50, 渗透系数 K ≤1×10- 7cm/ s。防渗墙穿透心墙和坝基砂砾石层, 嵌入坝基弱风化岩体内 1. 0 m, 防渗墙最大墙深 67. 0 m, 墙体厚度 0. 80 m。[2]
2 有限元模型
2. 1 模型建立
大坝渗流计算采用的有限元程序是河海大学开发的水工结构分析系统软件 Autobank V7.0。大坝坝顶高程 49. 60 m, 上游水位 46. 61 m, 下游水位 18. 60 m, 防渗墙嵌入基岩 1. 0 m。模型上游取至距坝轴线 237 m, 下游取至距坝轴线 130 m 坝基取至弱风化基岩面以下 30 m( 高程为- 50 m) 。有限元单元网格剖分采用三角单元, 铺盖、齿槽、防渗墙部位加密。厚度为0. 8 m的防渗墙分为4排单元。裂缝处加密。[3]
2. 2 完好防渗墙情况下的渗流状态
经计算, 完好防渗墙情况下, 等势线集中于防渗墙内, 防渗墙内的渗透坡降大。黏土铺盖与坝基接触面的渗透坡降、齿槽与坝基接触面渗透坡降分别为1.04、0.39, 小于允许接触渗透坡降1. 25~ 2. 5; 混凝土防渗墙的渗透坡降为31. 4, 小于防渗墙的允许坡降50; 计算断面单宽渗流量为 1. 24×10- 5m/ ( s·m) , 相比类似工程, 渗流量较小。加固后大坝渗流状况安全。
3 防渗墙质量缺陷对渗流的影响
3. 1 防渗墙出现裂缝的情况
当防渗墙在高程 5. 465 m 处出现宽度 0. 1 m 的裂缝时, 裂缝处于渗透系数相对较小的坝基下层砂砾石内, 渗流场发生变化。在裂缝出口处流线形状急剧变化, 坝体内的流线也发生明显变化, 黏土铺盖与坝基接触面的渗透坡降、齿槽与坝基接触面渗透坡降有所增大,分别为 2. 05、0. 889, 与防渗墙完好情况相比, 分别增大97.1% 、127. 9% ;混凝土防渗墙的渗透坡降为 27. 8, 减小11. 5% ; 计算断面单宽渗流量为 3. 95×10-5m/ ( s·m) , 增大 218. 5% , 渗流量显著增大。
为了研究裂缝宽度的影响, 将裂缝宽度减小为 0. 01 m,进行有限元计算, 黏土铺盖与坝基接触面的渗透坡降、齿槽与坝基接触面渗透坡降有所减小, 分别为1.62、0. 690,与裂缝宽度0. 1 m情况相比, 分别减小21.0% 、22. 4% ; 混凝土防渗墙的渗透坡降为 29. 0, 减小 4.3% ; 计算断面单宽渗流量为 3. 64 ×10- 5m/ ( s·m) , 减小7. 8% 。
为了研究裂缝位置的影响, 假定防渗墙在高程 9. 09 m出现裂缝, 裂缝宽度 0. 1 m, 处于渗透系数相对较大的坝基上层砂砾石内, 对这种情况进行计算, 黏土铺盖与坝基接触面的渗透坡降、齿槽与坝基接触面渗透坡降显著增大, 分别为 7. 29、3. 82, 与裂缝出现在高程 5. 465 m 情况相比, 分别增大 255.6% 、329. 7% ; 混凝土防渗墙的渗透坡降为 17. 0, 减小 38. 8% ; 计算断面单宽渗流量为 8. 58×10- 5m/ ( s·m) , 增大 117. 2% 。
为进一步分析防渗墙开裂宽度对渗流的影响, 假定防渗墙出现严重质量问题, 漏浇 2 m 的高度, 漏浇在高程 9. 09 m,黏土铺盖与坝基接触面的渗透坡降、齿槽与坝基接触面渗透坡降、混凝土防渗墙的渗透坡降分别为 7.60、4. 00、16. 7, 计算断面单宽渗流量为 8. 96×10- 5m/ ( s·m) 。渗透坡降、渗流量与裂缝宽度 0. 1 m 相比, 变化均不大。
3. 2 防渗墙墙体渗透系数增大的情况
假定防渗墙渗透系数增大 10 倍, 透水性增强, 防渗性能减弱。黏土铺盖与坝基接触面的渗透坡降、齿槽与坝基接触面渗透坡降明显增大, 分别为 1. 73、0. 73, 与防渗墙完好情况相比, 分别增大 66. 3% 、87. 2% ; 混凝土防渗墙的渗透坡降为 28. 9, 减小 810% ; 计算断面单宽渗流量为2. 30×10-5m/ ( s·m ) , 增大 85. 5% 。与防渗墙在 9. 09 高程出现裂缝相比, 防渗墙虽渗透性增大, 但与坝基砂砾石相比, 渗透系数小了很多, 隔断了坝基透水性较强的砂砾石层。因而其影响比在透水性强的位置出现裂缝要小。[4]
3. 3 防渗墙悬挂的情况
除了以上情况, 再考虑防渗墙悬挂对渗流的影响。假定防渗墙只施工至高程 5. 465 m, 而不进入弱风化基岩。黏土铺盖与坝基接触面的渗透坡降、齿槽与坝基接触面渗透坡降显著增大, 分别为5.22、2. 37, 与防渗墙完好情况相比, 分别增大401. 9% 、507.7% ; 混凝土防渗墙的渗透坡降为 18. 1, 减小 42. 4% ; 计算断面单宽渗流量为 7. 32×10- 5m/ ( s·m) , 增大 490 3% 。
防渗墙下游侧的砂砾石坝基内的水头明显增大。上游铺盖和齿槽承担的水头损失增大。
4 结论
本文初步分析了混凝土防渗墙质量缺陷对大坝渗流控制的影响, 得出以下主要结论。
防渗墙出现裂缝的位置越高, 离心墙底部越近, 土层的透水性越大, 出现裂缝对各部位的渗透坡降不利影响越大。因而保证防渗墙在透水性大的砂砾石层内的施工质量尤为重要。防渗墙裂缝出现的位置比裂缝宽度对渗流控制的影响更大。防渗墙的完整性比防渗墙渗透系数大小对渗流控制的影响要大。
本文的工作还需进一步深入, 如对裂缝内的渗透系数是初步假定的, 实际上, 土体发生渗透破坏过程中, 随着土体颗粒的移动, 土体不同部位的渗透系数会不断演化。
参考文献：
[1]王薇.土石坝安全风险分析方法研究[D].天津大学博士学位论文,2012.
[2]姜海波.土石坝坝体、坝基和水库库区土工膜防渗体力学特性及渗透系数研究[D].新疆农业大学博士学位论文,2011.
[3]富海文,吴家园水库拦河坝防渗墙施工技术[J].中国水利,2010,11(:5)51一63.
[4]王天星,混凝土防渗墙在土石坝防渗加固中的应用研究[D].合肥工业大学硕士学位论文,2010.
[1] 王薇.土石坝安全风险分析方法研究[D].天津大学博士学位论文,2012.
[2] 富海文,吴家园水库拦河坝防渗墙施工技术[J].中国水利,2010,11(:5)51一63.
[3] 王天星,混凝土防渗墙在土石坝防渗加固中的应用研究[D].合肥工业大学硕士学位论文,2010.09—2010
[4] 姜海波.土石坝坝体、坝基和水库库区土工膜防渗体力学特性及渗透系数研究[D].新疆农业大学博士学位论文,2011.
