深覆盖层地基防渗措施对渗流场影响数值分析

黄梅琼，柴军瑞，2，白 勇，刘钊春

开发西部水能资源常会碰到河谷中深厚覆盖层的问题，尤其在水能资源丰富的西南地区，此问题格外突出。深厚覆盖层指堆积于河谷谷底，厚度大于30 m的第四纪松散堆积物，颗粒组成偏粗大且透水性强，是一种地质条件差且复杂的地基［1－3］。随着坝的高度增加以及坝基的复杂性增加，带来了一系列技术问题，造成的损失也越来越大。随着这些深厚覆盖层基础上闸坝的兴建，国内许多专家、学者进行了大量的研究，在深厚覆盖层的勘探和取样技术、工程特性试验、建坝试验研究、变形应力计算、防渗加固处理等方面都积累了比较丰富的经验，但和国际先进水平相比仍有差距［4］。本文针对深厚覆盖层地基上建土坝，采用有限元法分析了防渗措施对渗流场的定量影响，得出了重要规律性意见，对类似工程具有一定指导意义。

1 防渗措施和渗流场有限单元法

1．1 水平与垂直防渗措施

在坝上游填筑黏土铺盖，防渗铺盖可以延长渗流路径，降低渗透坡降，减少渗漏量，即水平防渗。覆盖层厚度在80 m以内的垂直防渗可采用混凝土防渗墙，混凝土防渗墙是在松散透水地基或土石坝坝体中连续造孔成槽，以泥浆固壁，在泥浆下浇筑混凝土而建成的起防渗作用的地下连续墙［5］。

1．2 渗流基本方程

当考虑水和土不可压缩时，符合达西定律的二向非均质各向异性土坝稳定渗流基本方程为

式中：h为水头函数；x，z为空间坐标；kx，kz为以 x，z轴为主轴方向的渗透系数。

1．3 渗流量计算

利用有限单元法求得渗流场节点水头值可直接计算渗流量。目前常用的方法有：①计算通过单元某一条边的流量；②计算通过单元二边长中点连线的流量，称中线法。本文采取的是中线法。过流断面通过单元形心，则通过这一断面的单宽流量为

则通过单元计算断面的流量为Δq［5］

2 工程实例

某黏土斜墙坝，坝高20 m，坝顶宽10 m，上、下游坝坡均为1∶2．5。该坝坝址区河床分布着第四纪松散沉积物，分为上、下两大岩层：上部为漂卵砾石层，下部为块碎石层，其平均厚度都约25 m。颗粒粗、孔隙大、渗透性强，属深覆盖层地基。运用黏土铺盖和混凝土防渗墙进行防渗。

2．1 计算模型与网格剖分

为了正确合理分析坝基的渗流场，研究其渗透规律，采取最优措施进行防渗，假设坝体不透水，计算模型见图1。模型中的坝基及不同坝基交界处应用ANSYS软件，取上游100 m且坝基深50 m处作为坐标原点，采用三角形单元进行网格剖分，共剖分1 102个单元，616个节点，如图2所示。

各区材料的渗透系数的取值见表1。

图1 计算模型Fig．1 The calculation model

图2 网格剖分图Fig．2 Mesh dissection

表1 各区材料的渗透系数Table 1 The permeability coefficients of various materials

2．2 拟定计算方案

为了分别研究黏土铺盖和混凝土防渗墙对坝基渗流场的影响，计算拟定了11种计算方案（见表2）。

表2 计算方案Table 2 The calculation programs

其中，方案（1）～（6）是为了研究无混凝土防渗墙时黏土铺盖长度对渗流场的影响；方案（7）～（11）是为了研究无黏土铺盖时混凝土防渗墙深度对渗流场的影响［6］。

2．3 计算结果及分析

2．3．1 无防渗墙时铺盖长度对渗流场的影响

无混凝土防渗墙时铺盖长度依次从0 m逐渐增加到100 m（对应方案（1）～（6）），得到通过断面的渗流量与铺盖长度的关系，见图3。

图3 渗流量随铺盖长度的变化曲线Fig．3 The curve showing the re－lation of the amount of seepage and the length of waterproof blanket

从图3可以看出，在无混凝土防渗墙的情况下，当上游水平铺盖长度小于4倍上游水头时，通过地基的渗流量随着铺盖长度的增加而相应减小；当上游水平铺盖长度大于4倍上游水头时，通过地基的渗流量随着铺盖长度的增加无明显变化。这表明在深厚覆盖层地基上，延长水平黏土铺盖至4倍上游水头可以减少渗漏量，大于4倍上游水头时，继续增加铺盖长度对渗流量无影响，必须要采取水平与垂直防渗措施进行防渗。图4给出了方案（3）（黏土铺盖40 m）的等水头线图。

图4 方案（3）（黏土铺盖40 m）的等水头线图Fig．4 The water head contours of the Program 3with clay waterproof blanket 40 meters long

2．3．2 无铺盖时防渗墙深度对渗流场的影响

无铺盖时防渗墙深度依次从0 m逐渐增加到53 m（对应方案（7）～（11）），得到通过地基的渗流量与防渗墙深度的关系，如图5所示。

图5 渗流量与防渗墙深度的变化曲线Fig．5 The curve representing the change of the amount of seepage and the depth of the cut－off wall

从图5可以看出，在无黏土铺盖的情况下，当混凝土防渗墙深度小于3／4倍地基覆盖层厚度时，通过地基的渗流量随防渗墙深度的增加而相应减小，但幅度有限。当混凝土防渗墙深度大于3／4倍地基覆盖层厚度时，渗流量随之减少的幅度明显增大。当防渗墙打到基岩后（防渗墙53 m），渗流量骤降为0．726×10－6m3／（s·m）。这表明对于深厚覆盖层地基，只有当混凝土防渗墙深度大于3／4倍地基覆盖层厚度时才能取得较好的防渗效果。当防渗墙完全封闭覆盖层时能够可靠、有效地截断水流。图6给出了方案（9）（防渗墙深度 28 m）的等水头线图［7－9］。

图6 方案（9）（防渗墙深度28 m）的等水头线图Fig．6 The water head contours of the Program 9 with the cut－off wall 28 meters in depth

3 结 论

（1）应用有限元法分析了工程实例，由于主要研究的是地基的渗透规律，所以假定坝体不透水。而在实际工程中，在深厚覆盖层地基上建坝应共同研究坝体与坝基，格外注意防渗墙与坝体防渗体的连接。

（2）在计算条件下，延长水平黏土铺盖至4倍上游水头可以减少渗漏量；大于4倍上游水头时，继续增加铺盖长度对渗流量无影响，必须要采取水平与垂直防渗措施进行防渗。

（3）在计算条件下，只有当混凝土防渗墙深度大于3／4倍覆盖层厚度时才能取得较好的防渗效果。

（4）当防渗墙完全封闭覆盖层时能够可靠、有效地截断水流。

［1］ 杨天俊．深厚覆盖层岩组划分及主要工程地质问题［J］．水力发电，1998，6：17－19．

［2］ 罗守成．对深厚覆盖层地质问题的认识［J］．水力发电，1995，（4）：21－24．

［3］ 蔡元奇，朱以文，唐 红，等．在深厚覆盖层坝基上建堆石坝的防渗研究［J］．武汉大学学报（工学版），2005，24（增2）：5658－5663．

［4］ 高钟璞，等．大坝基础防渗墙［M］．北京：中国电力出版社，2000．

［5］ 毛昶熙．渗流计算分析与控制［M］．北京：中国水利水电出版社，2003．

［6］ 柴军瑞．大坝工程渗流力学［M］．拉萨：西藏人民出版社，2001．

［7］ BOWLESJ E．Analytical and Computer Method in Foun－dation EngGeotechnique［J］．1974：62－66．

［8］ 张乾飞，顾冲时，郭海庆，等．土石坝渗流确定分析模型研究［J］．武汉水利电力大学学报，2000，33（4）：5－9．

［9］ 叶焰中，李 荣，罗赛虎．深厚覆盖层中防渗墙施工的若干问题［J］．水利科技与经济，2008，14（8）：671－672．