摘要: 本文中舉出吳家園水庫大壩作為實際例子, 通過滲流有限元的分析方法, 來對混凝土防滲墻的質量缺陷以及其對大壩滲流控制的影響進行分析。從分析的結果可以看出, 防滲墻正常那么防滲就能滿足工程安全要求; 但如果防滲墻出現缺陷, 那么壩體各部位的滲透坡降都會受到極大影響。其中防滲墻出現裂縫的位置這一因素比裂縫的寬度對滲流控制造成的影響更大, 而防滲墻懸掛比墻體滲透系數增大對滲流控制造成的影響更大。

　　關鍵詞: 防滲墻; 滲流; 土石壩

　　混凝土防滲墻防滲效果較為可靠, 目前在國內水利工程中應用比較廣泛, 國內外學者對其各方面進行了大量研究,主要為防滲墻的施工設計與應用、防滲墻的滲透特性研究、低彈模混凝土防滲墻材料的研制等進行了大量研究。但是, 由于施工質量的原因, 混凝土防滲墻 有可能出現裂縫、墻體滲透系數超過設計指標以及墻體懸掛等問題。關于這些不利情況對大壩滲流控制的影響的研究, 目前尚不多見。[1]

　　本文利用吳家園水庫大壩的水文地質工程地質參數, 對采用混凝土防滲墻加固的大壩典型斷面進行了滲流有限元計算, 模擬分析了當防滲墻的裂縫在不同位置、不同裂縫開度時, 或者當墻體滲透系數增大、墻體懸掛時, 大壩滲流狀態的變化情況。

　　1 工程概況

　　吳家園水庫位于浙江省蒼南縣藻溪鎮, 是一座以防洪、供水為主, 兼顧灌溉、發電綜合利用的中型水庫。大壩為黏土心墻土石壩, 外部為砂礫壩殼, 上游設有黏土鋪蓋。壩頂高程為49. 60 m, 最大壩高 32. 49 m, 壩頂長 232. 6 m, 壩頂寬 6. 0 m。壩基從上到下依次為礫砂層( 最厚 34 m)、弱風化流紋斑巖。工程始建于 1958 年底, 大壩運行 40 多年, 大壩防滲體系存在的缺陷有: 基礎處理不徹底, 齒槽與壩基接觸面滲透穩定性存在隱患; 壩體填筑質量差, 心墻滲透系數偏大, 心墻后反濾層不合格, 壩體滲流量較大。2007 年安全鑒定為“三類壩”, 隨后進行除險加固設計。除險加固后水庫死水位23. 37 m, 正常蓄水位為 44. 50 m, 設計洪水位 46. 611 m, 校核洪水位為48. 24 m, 總庫容為2 164 萬立方米。大壩防滲加固采用了低彈模混凝土防滲墻, 彈性模量 E28≤5000 M P a, 滲透允許比降≥50, 滲透系數 K ≤1×10- 7cm/ s。防滲墻穿透心墻和壩基砂礫石層, 嵌入壩基弱風化巖體內 1. 0 m, 防滲墻最大墻深 67. 0 m, 墻體厚度 0. 80 m。[2]

　　2 有限元模型

　　2. 1 模型建立

　　大壩滲流計算采用的有限元程序是河海大學開發的水工結構分析系統軟件 Autobank V7.0。大壩壩頂高程 49. 60 m, 上游水位 46. 61 m, 下游水位 18. 60 m, 防滲墻嵌入基巖 1. 0 m。模型上游取至距壩軸線 237 m, 下游取至距壩軸線 130 m 壩基取至弱風化基巖面以下 30 m( 高程為- 50 m) 。有限元單元網格剖分采用三角單元, 鋪蓋、齒槽、防滲墻部位加密。厚度為0. 8 m的防滲墻分為4排單元。裂縫處加密。[3]

　　2. 2 完好防滲墻情況下的滲流狀態

　　經計算, 完好防滲墻情況下, 等勢線集中于防滲墻內, 防滲墻內的滲透坡降大。黏土鋪蓋與壩基接觸面的滲透坡降、齒槽與壩基接觸面滲透坡降分別為1.04、0.39, 小于允許接觸滲透坡降1. 25~ 2. 5; 混凝土防滲墻的滲透坡降為31. 4, 小于防滲墻的允許坡降50; 計算斷面單寬滲流量為 1. 24×10- 5m/ ( s·m) , 相比類似工程, 滲流量較小。加固后大壩滲流狀況安全。

　　3 防滲墻質量缺陷對滲流的影響

　　3. 1 防滲墻出現裂縫的情況

　　當防滲墻在高程 5. 465 m 處出現寬度 0. 1 m 的裂縫時, 裂縫處于滲透系數相對較小的壩基下層砂礫石內, 滲流場發生變化。在裂縫出口處流線形狀急劇變化, 壩體內的流線也發生明顯變化, 黏土鋪蓋與壩基接觸面的滲透坡降、齒槽與壩基接觸面滲透坡降有所增大,分別為 2. 05、0. 889, 與防滲墻完好情況相比, 分別增大97.1% 、127. 9% ;混凝土防滲墻的滲透坡降為 27. 8, 減小11. 5% ; 計算斷面單寬滲流量為 3. 95×10-5m/ ( s·m) , 增大 218. 5% , 滲流量顯著增大。

　　為了研究裂縫寬度的影響, 將裂縫寬度減小為 0. 01 m,進行有限元計算, 黏土鋪蓋與壩基接觸面的滲透坡降、齒槽與壩基接觸面滲透坡降有所減小, 分別為1.62、0. 690,與裂縫寬度0. 1 m情況相比, 分別減小21.0% 、22. 4% ; 混凝土防滲墻的滲透坡降為 29. 0, 減小 4.3% ; 計算斷面單寬滲流量為 3. 64 ×10- 5m/ ( s·m) , 減小7. 8% 。

　　為了研究裂縫位置的影響, 假定防滲墻在高程 9. 09 m出現裂縫, 裂縫寬度 0. 1 m, 處于滲透系數相對較大的壩基上層砂礫石內, 對這種情況進行計算, 黏土鋪蓋與壩基接觸面的滲透坡降、齒槽與壩基接觸面滲透坡降顯著增大, 分別為 7. 29、3. 82, 與裂縫出現在高程 5. 465 m 情況相比, 分別增大 255.6% 、329. 7% ; 混凝土防滲墻的滲透坡降為 17. 0, 減小 38. 8% ; 計算斷面單寬滲流量為 8. 58×10- 5m/ ( s·m) , 增大 117. 2% 。

　　為進一步分析防滲墻開裂寬度對滲流的影響, 假定防滲墻出現嚴重質量問題, 漏澆 2 m 的高度, 漏澆在高程 9. 09 m,黏土鋪蓋與壩基接觸面的滲透坡降、齒槽與壩基接觸面滲透坡降、混凝土防滲墻的滲透坡降分別為 7.60、4. 00、16. 7, 計算斷面單寬滲流量為 8. 96×10- 5m/ ( s·m) 。滲透坡降、滲流量與裂縫寬度 0. 1 m 相比, 變化均不大。

　　3. 2 防滲墻墻體滲透系數增大的情況

　　假定防滲墻滲透系數增大 10 倍, 透水性增強, 防滲性能減弱。黏土鋪蓋與壩基接觸面的滲透坡降、齒槽與壩基接觸面滲透坡降明顯增大, 分別為 1. 73、0. 73, 與防滲墻完好情況相比, 分別增大 66. 3% 、87. 2% ; 混凝土防滲墻的滲透坡降為 28. 9, 減小 810% ; 計算斷面單寬滲流量為2. 30×10-5m/ ( s·m ) , 增大 85. 5% 。與防滲墻在 9. 09 高程出現裂縫相比, 防滲墻雖滲透性增大, 但與壩基砂礫石相比, 滲透系數小了很多, 隔斷了壩基透水性較強的砂礫石層。因而其影響比在透水性強的位置出現裂縫要小。[4]

　　3. 3 防滲墻懸掛的情況

　　除了以上情況, 再考慮防滲墻懸掛對滲流的影響。假定防滲墻只施工至高程 5. 465 m, 而不進入弱風化基巖。黏土鋪蓋與壩基接觸面的滲透坡降、齒槽與壩基接觸面滲透坡降顯著增大, 分別為5.22、2. 37, 與防滲墻完好情況相比, 分別增大401. 9% 、507.7% ; 混凝土防滲墻的滲透坡降為 18. 1, 減小 42. 4% ; 計算斷面單寬滲流量為 7. 32×10- 5m/ ( s·m) , 增大 490 3% 。

　　防滲墻下游側的砂礫石壩基內的水頭明顯增大。上游鋪蓋和齒槽承擔的水頭損失增大。

　　4 結論

　　本文初步分析了混凝土防滲墻質量缺陷對大壩滲流控制的影響, 得出以下主要結論。

　　防滲墻出現裂縫的位置越高, 離心墻底部越近, 土層的透水性越大, 出現裂縫對各部位的滲透坡降不利影響越大。因而保證防滲墻在透水性大的砂礫石層內的施工質量尤為重要。防滲墻裂縫出現的位置比裂縫寬度對滲流控制的影響更大。防滲墻的完整性比防滲墻滲透系數大小對滲流控制的影響要大。

　　本文的工作還需進一步深入, 如對裂縫內的滲透系數是初步假定的, 實際上, 土體發生滲透破壞過程中, 隨著土體顆粒的移動, 土體不同部位的滲透系數會不斷演化。

　　參考文獻：

　　[1]王薇.土石壩安全風險分析方法研究[D].天津大學博士學位論文,2012.

　　[2]姜海波.土石壩壩體、壩基和水庫庫區土工膜防滲體力學特性及滲透系數研究[D].新疆農業大學博士學位論文,2011.

　　[3]富海文,吳家園水庫攔河壩防滲墻施工技術[J].中國水利,2010,11(:5)51一63.

　　[4]王天星,混凝土防滲墻在土石壩防滲加固中的應用研究[D].合肥工業大學碩士學位論文,2010.

　　[1] 王薇.土石壩安全風險分析方法研究[D].天津大學博士學位論文,2012.

　　[2] 富海文,吳家園水庫攔河壩防滲墻施工技術[J].中國水利,2010,11(:5)51一63.

　　[3] 王天星,混凝土防滲墻在土石壩防滲加固中的應用研究[D].合肥工業大學碩士學位論文,2010.09—2010

　　[4] 姜海波.土石壩壩體、壩基和水庫庫區土工膜防滲體力學特性及滲透系數研究[D].新疆農業大學博士學位論文,2011.