质量缺陷对悬挂式防渗墙渗流影响的数值分析

刘　娜，何文安

(1.长春工程学院； 2.吉林省电力勘察设计院，长春 130012)



质量缺陷对悬挂式防渗墙渗流影响的数值分析

刘娜1，何文安2

(1.长春工程学院； 2.吉林省电力勘察设计院，长春 130012)

摘要：结合工程实例应用有限元方法分析了悬挂式防渗墙质量缺陷对土石坝渗流控制效果的影响。结果表明: 悬挂式防渗墙能起到延长渗透路径，改变渗流形态的效果。悬挂式防渗墙若出现缺陷，则对坝体渗流形态有较大影响。

关键词：防渗墙；渗流；质量缺陷

1研究背景

随着我国水利水电事业的不断深入发展，土石坝以其安全性、经济性及适用性好的优点，在近几年得到了广泛应用，其设计和施工技术已日趋成熟，但随着坝的高度不断增加以及坝基复杂性的增加，带来了一系列的技术问题，众多大坝均修建在复杂坝基之上。对于一些覆盖层深厚的坝基，在现有的技术条件下，难以将混凝土防渗墙深入到基岩，因此形成了悬挂式防渗墙，覆盖层不能被完全封闭。此时坝基渗漏及地基的渗透稳定是地基存在的主要问题。然而由于施工质量问题，防渗墙往往存在较多质量缺陷，主要有：墙体深度达不到设计深度、局部不均匀、墙体不连续、构成墙体的水泥土达不到一定的抗渗性能，为工程的投入使用埋下了很多隐患。基于此，本文结合某实际工程利用数值方法，分析了悬挂式防渗墙质量缺陷对坝基渗流控制效果的影响。

2计算模型和参数

2.1工程概况

该土石坝坝顶高程为1 530.50 m，最大坝高56.50 m，坝顶宽10.00 m，迎水面边坡1︰2.5，背水面边坡1︰1.75。坝基防渗采用悬挂式，防渗墙型式防渗墙底高程为1 430.00 m，防渗墙最大深度70.0 m，防渗墙厚0.8 m。坝体防渗采用斜墙型式，最大挡水水头约54.0 m。坝基覆盖层最大厚度约为75 m和67 m，自下至上由老至新分为3层：第①层为漂(块)卵(碎)砾石层(fglQ3)，第②层为含泥漂(块)卵(碎)砂砾石层(alQ41)，第③层为漂(块)卵砾石(alQ42)。河床覆盖层局部具架空现象，渗透系数K=2.0×10-2cm/s～2.0×10-1cm/s，具强透水性，且抗渗透破坏能力低，需解决好基础渗透问题。河床底部及两岸堰肩岩体浅表层属微—弱透水岩体，地基抗变形能力和承载力可基本满足工程要求。

2.2计算模型

在计算中，采用笛卡儿直角坐标系。以垂直于坝轴线的1 477.0 m高程水平线为x坐标轴，以过防渗墙的中垂线为y轴。计算区域的选择：坝体宽246 m，坝高53.5 m；从坝背水面坡脚向下游延伸100 m，从坝底向地下延伸100 m。迎水面水位取为设计水位高程1 528.2 m。 计算模型的边界条件如下：模型坝基底面、上下游侧面及左右岸侧面按不透水边界考虑，上游库水位以下地表边界及上游坝面按己知水头边界考虑。

2.3计算参数

计算模型共涉及到10种材料，他们分别为：块石护坡、砾石土防渗料、反滤层、石渣、戗堤、混凝土防渗墙、漂(卵)砾石、含泥漂(块)卵(碎)砂砾石层、漂(块)卵(碎)砾石土、基底岩体材料，对该模型进行单元划分，整个模型共划分节点数为19 623个，单元数为19 051个。参数取自工程实际。

2.4计算工况

为了研究墙体深度达不到设计深度对渗流场的影响，本文主要以大坝水头分布、大坝和坝基的渗流量、特征部位的水力坡降、背水面坝坡的稳定安全系数为控制条件，拟定了以下工况：根据工程实际情况，分别计算了防渗墙深度为50 m、55 m、60 m、65 m、70 m时大坝的渗流结果。

3计算结果分析

3.1大坝水头分布分析

从图1和图2可看出随着防渗墙深度的增加，坝体内浸润线的位置逐渐下降；等水头线以防渗墙垂直下方为中心向一起聚拢；除防渗墙垂直下方的流线向一起收拢外，流线的总体变化趋势不大。说明悬挂式防渗墙在贯入度较小的时候投资效果较好。随着贯入度的增加，对于提高上游临界水头的贡献并非按比例增加。所以当因防渗墙的施工质量而导致防渗墙深度有小部分的降低时，从整个堰体的水头分布来看，影响不是很大。

图1　防渗墙深度为50 m时的水头分布

图2　防渗墙深度为70 m时的水头分布

3.2坝体和坝基渗流量分析

从图3可以看出随着防渗墙深度的增加，堰体和堰基的深流量都在减小，说明悬挂式防渗墙随着深度的增加对于渗流的控制作用也在增强。如果在施工中出现质量问题，就可能引起在围堰施工期内渗水过多，而给施工带来很大的麻烦。

3.3特征部位的水力坡降分析

从图4和图5可以看出：随着防渗墙深度的增加，围堰下游出溢处的水力坡降值不断降低，且水力坡降值均小于1.0，说明了防渗墙深度的变化对降低围堰下游出溢处水力坡降有明显作用，也就是说对减小下游坡脚处水力破坏有明显的作用，如果由于防渗墙的施工质量问题而造成防渗墙深度减小，有可能引起水力破坏，所以一定要确保防渗墙的施工质量，以保证工程的合理性。

3.4背水面坝坡的稳定性分析

由图6可见，随着防渗墙深度的增加，其背水面坝坡稳定安全系数逐渐增加。防渗墙为50 m时，坡后稳定安全系数为1.177，当增加到70 m时，安全系数增加到1.256。如果防渗墙施工质量难以保证，使得防渗墙的深度降低，就有可能引起下游坝坡发生滑坡。

图3　渗流量随防渗墙深度变化图

图4　防渗墙深度为50 m时的渗流出口处水力坡降分布图

图5　防渗墙深度为70 m时的渗流出口处水力坡降分布图

图6　坝坡稳定系数随防渗墙深度变化图

4结语

悬挂式防渗墙并不像封闭式防渗墙那样可以达到截渗的目的，因此，施工单位往往会认为悬挂式防渗墙深度可以随便减小，或者由于施工质量的问题不能保证防渗墙的深度，以为这些情况不影响大坝的安全性，通过分析发现随着防渗墙深度的增加，坝体和坝基的渗流量都会减小，同时水力坡降也会有明显的降低，下游坝坡的稳定安全系数也会增加。所以在工程上并不能随意改变悬挂式防渗墙的深度。

参考文献

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The Numerical Analysis on the Influence to Seepage from Suspended Diaphragm Wall by Quality Defects

LIU Na, etc.

(ChangchunInstituteofTechnology,Changchun130012,China)

Abstract：Based on FEM and construction cases, this paper analyzes the effect of earth-rock dam seepage control from suspended diaphragm wall by quality defects. The result shows that the seepage path can be lengthened and seepage configuration can be changed by the suspended diaphragm wall. If the suspended diaphragm wall with quality defects have big impact on the seepage configuration of the dam.

Key words：diaphragm wall; seepage; quality defects

文献标志码：A

文章编号：1009-8984(2016)01-0068-03

中图分类号：TV543.82

作者简介：刘娜(1982-)，女(汉)，内蒙古，讲师，工学硕士

基金项目：长春工程学院青年基金(320150005)

收稿日期：2015-07-15

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2016.01.016

主要研究岩土工程。