墙幕结合防渗体系对深厚砂砾石坝基渗流影响分析

付 巍

（葛洲坝集团西南施工局，云南昆明 650305）

0 前 言

砂砾石地基在我国西南地区分布十分广泛，是水利水电工程中常遇到的复杂地基层，其颗粒间胶结性差、渗透性强且孔隙分布不均等，组成很不均一，有时会伴有巨大的块石、孤石或漂石，属于不良地质条件。在此地基上建坝，坝基防渗是十分关键的问题。渗流安全在水利水电工程的整体安全中有着十分重要的地位，根据国内外大坝失事实例统计分析来看，由于渗透破坏发生的事故或溃坝占总数的30%～40%[1]。所以，深厚砂砾石层坝基防渗处理工作一直是工程重点研究的技术难点之一，也是整个工程建设成败的关键所在。

目前，深厚砂砾石地基垂直防渗措施主要采用墙幕结合的防渗形式。墙幕结合的防渗形式摒弃了砂砾石地层灌浆中上部止浆困难而造成上部灌浆质量较差、防渗墙施工深度、工期和遇有大孤石或进入岩基中钻孔成槽困难的缺陷，发挥了两种方法各自的优点。在深厚透水层坝基中将两者相结合，形成一种联合的防渗体系，构成整个坝基的垂直防渗系统，从基础防渗和节省工程投资角度来看，是一种既经济又可靠的选择。但是，目前受到施工技术和机械设备的限制，防渗墙的建造深度不可能无限大，而且随着防渗墙的深度增加，防渗效果是否也保持良好的增长规律，值得深入研究探讨。

1 工程概况

下坂地水利枢纽工程位于新疆喀什地区塔什库尔干县下坂地乡附近，距塔什库尔干塔吉克自治县45 km，距喀什市315 km，距叶尔羌河干流卡群渠首190 km[2]。下坂地枢纽工程是以生态补水及春旱供水为主、结合发电的大型水利枢纽工程，为Ⅱ等大（2）型工程。拦河坝为沥青混凝土心墙砂砾石坝，最大坝高78 m，正常蓄水位高程2 960 m，总库容8.67亿m3，电站总装机容量150 MW，年发电量4.735亿kW·h。

河床覆盖层主要是由坝址下游的哈木勒堤沟古冰川的推进和后退及“堰塞湖”的形成与溃决等因素形成的第四系冰水堆积物、冰碛物。自下而上可分为三大类型：冰碛层、砂层透镜体、冲洪积层和坡积层，渗透系数大，成分复杂，最大厚度147.95 m。坝基防渗体系布置为：混凝土防渗墙设计布置在大坝心墙下，墙顶轴线全长280 m，墙厚1 m，墙深85 m，在防渗墙顶部设灌浆廊道，从廊道中对防渗墙底部以下的覆盖层进行深层帷幕灌浆，共设4排深66 m的灌浆帷幕，帷幕直达基岩，从而彻底截断深厚覆盖层。大坝剖面如图1所示。

图1 坝体、坝基剖面图（0+220断面）Fig.1 Profile of the dam body and dam foundation(on 0+220 section)

2 有限元数学模型

2.1 模型建立

计算区域的选择:取坝体横断面宽400 m，最大坝高78 m，从坝体上游坝脚向上游延伸150 m，从坝体背水面坝脚向下游延伸150 m，从坝底向坝基延伸180 m。x方向以坝脚上游150 m处为原点，以顺河向指向下游为正，向右取640 m；y方向以铅直向上为正，取250 m，整体模型尺寸为640 m×250 m。采用平面三角形和四边形单元对模型进行网格剖分。

共选取了6个垂直坝轴线方向的代表断面进行计算，即桩号0+061断面、0+140断面、0+184断面、0+220断面、0+274断面和0+360断面。0+220代表性断面计算网格如图2所示。

图2 0+220断面计算网格图（墙深为85m）Fig.2 Calculation grid of the 0+220 section(wall depth was 85 m)

2.2 材料参数

计算区域内共涉及8种材料，在模型中分别用不同的颜色表示。它们分别为坝体料（黄色），上部漂石层（粉红色）、砂层（红色）、漂块石层（绿色）、含块卵砾石层（紫色）、基岩（淡红色）、防渗墙混凝土（浅绿色）、帷幕灌浆（绿色）和下游排水棱体（紫褐色）。计算中各种材料的渗透系数值见表1。

表1 材料渗透系数表Table 1:Permeability coefficients of the materials

2.3 计算工况

研究条件：取水库建成后正常使用条件下最大水头差（即上游为正常蓄水位2 960.00 m，坝后水位0 m）。根据计算条件，该工程的研究工况共41个，分别如下：初始优化阶段，坝基河床段6个代表（0+61、0+140、0+184、0+220、0+274、0+360）断面的防渗墙从20 m到85 m，以6 m为步长，共计41个工况。

2.4 边界条件

渗流模拟区域的两端边界、地基地面没有水流的流入和流出，此处定义为不透水边界，坝体和地基上、下游与水接触区域受水荷载作用，此处定义为水头边界。由于研究条件为水库建成后正常使用条件下最大水头差（即上游为正常蓄水位2 960.00 m，坝后水位0 m），所以上游与水接触区域节点水头定义为正常蓄水位高程H1=60 m，下游节点水头定义为H2=0 m。

3 计算结果

根据敏感性参数的选择，只给出坝后的水力坡降值和坝基流量值，其中坝后水力坡降值是指坝后一定范围内的最大水力坡降值，这个范围是指渗流分析中必需包含关键部位的范围，一般这个关键部位位于溢出点附近。

通过有限元计算得到初始阶段41个工况的计算结果，如表2所示。

根据表2中防渗墙在不同深度的坝基总渗流量和坝后最大坡降数值，可绘制出坝基总渗流量和坝后最大坡降值随防渗墙深度变化的关系，如图3和图4所示。

表2 有限元计算结果表Table 2:Result of FEM calculation

图3 坝基渗流量与防渗墙深度关系图Fig.3 Relation between the seepage at dam foundation and the depth of the cut-off wall

图4 坝后最大坡降与防渗墙深度关系图Fig.4 Relation between the maximum hydraulic gradient be-hind dam and the depth of the cut-off wall

图5为0+220断面防渗墙深度为20 m时的流网分布图。图6为0+220断面防渗墙深度为85 m时的流网分布。

图5 防渗墙深度为20 m时0+220断面计算结果图Fig.5 Calculation result of the 0+220 section while the depth of the cut-off wall was 20 m

图6 防渗墙深度为85 m时0+220断面的计算结果图Fig.6 Calculation result of the 0+220 section while the depth of the cut-off wall was 85 m

在0+220断面上，当防渗墙深度为20 m时，坝后出现最大的水力坡降值0.007 2，远没有达到该工程要求的坝后最大水力坡降值0.05和《土石坝设计规范》要求的砂砾石层土体渗透破坏容许坡降值0.1。图7为0+220断面上防渗墙为20 m时坝后水力坡降等值线图。

图7 防渗墙深度为20 m时坝后坡降等值线图Fig.7 Contour of the hydraulic gradient behind dam while the depth of the cut-off wall was 20 m

根据以上对坝体和坝基的有限元计算分析，当防渗墙深度为85 m时，相对防渗墙深度为20 m时，坝基渗流量减少了25.5%，坝后最大水力坡降降低了33.3%。由此可以得出：增加防渗墙的深度可以有效降低坝基渗流量及坝后最大水力坡降，极大提高坝体和坝基的渗流稳定性。但由图3可以看出：当防渗墙修建深度在20～65 m之间变化时，坝基渗流量保持线性递减的规律，防渗效果明显改善；当防渗墙修建深度超过65 m之后，坝基渗流量的变化趋于平缓，即防渗墙修建深度的增加对控制坝基渗流量的作用越来越弱。

4 结论和展望

结合新疆下坂地水库工程，采用有限元数值模拟计算的方法，研究分析得出深厚砂砾石地基墙幕结合防渗体系深度的变化对坝基渗流的影响规律：防渗墙布置深度的增加可以有效降低坝基渗流量和坝后最大水力坡降值，极大提高坝体和坝基的渗流稳定性；但是，防渗墙的建造并不是越深越好，当布置尺寸超过一定范围后，坝基渗流量的变化趋于平缓，防渗体系对改善坝基渗流的作用不明显。

由此，说明深厚砂砾石地基防渗体系中的防渗墙布置并非越深越好，存在一个最优布置深度。当然工程设计和施工中，影响防渗墙深度的因素很多，比如施工工期、工程造价、工程安全性、施工技术和设备水平等，因此，在今后研究中，可以充分考虑各方面的影响因素，针对深厚砂砾石地基墙幕结合防渗体系结构布置尺寸展开深入研究，以求得满足工程安全性、经济性的防渗体系结构布置尺寸。

[1]牛运光.土坝安全与加固[M].北京:中国水利电力出版社,1998.

[2]周春选,王健,杨智睿.新疆下坂地水库坝基防渗处理设计[J].陕西水利水电技术,2005,(02):22-27.

[3]王华俊.锦屏二级水电站闸基深厚覆盖层渗流分析与控制研究[D].成都理工大学,2005.

[4]白勇,柴军瑞,曹境英,等.深厚覆盖层地基渗流场数值分析[J].岩土力学,2008,29(S1):90-94.

[5]谢兴华,王国庆.深厚覆盖层坝基防渗墙深度研究[J].岩土力学,2009,30(09):2708-2712.

[6]罗渝,何江达,段斌,等.深厚河床覆盖层闸坝防渗墙深度优化研究[J].吉林水利,2006,(1):5-9.