土质心墙坝垫板裂缝渗流及充填保护试验研究

□田伟□程彦文□张巧利

（1黄河勘测规划设计有限公司；2甘肃省水利水电勘测设计研究院；3河南广播电视大学）

土质心墙坝垫板裂缝渗流及充填保护试验研究

□田伟1□程彦文2□张巧利3

（1黄河勘测规划设计有限公司；2甘肃省水利水电勘测设计研究院；3河南广播电视大学）

通过进行心墙垫板裂缝渗流及充填保护试验，分析了在裂缝上游侧设粘土保护层的作用效果，比较了不同裂缝开度和围压对坝体抗渗性的影响。结果表明这种新型保护措施可以较好地保护心墙粘土不被坝基裂缝中的水流冲刷，并能对裂缝进行部分充填，使遭到破坏的防渗体性能逐渐恢复。试验的各项结果符合工程实际。

裂缝渗流；接触冲刷；裂缝充填

1 前言

随着我国西部大开发和清洁能源开发战略的实施，我国中西部地区尤其是西南地区的水利水电开发的力度加大，正在建设或将建设一批200m，甚至是300m以上的高坝。随着大批高坝的建设，高坝的安全问题越来越受到众多专家学者的重视，而且更为突出的是，我国广泛建设高坝的西南地区同时又是地震多发区。由于地震、地基不均匀沉降以及渗透水流引起的水力劈裂等原因会造成的防渗体或坝基的开裂，这种开裂很常见也很难避免，而且形成的裂缝通常埋藏于地下，初期阶段往往不易被人们察觉，一旦发展至后期则会对大坝的安全产生巨大威胁。文章对心墙垫板裂缝渗流和充填保护的研究，主要是根据实际工程中可能出现的情况设计了多种不同的试验组合进行对比分析，在裂缝上游设粘土保护层的新型防护情况下全面考虑了心墙垫板裂缝在不同开度和不同围压下的坝体抗渗性。

2 试验模型介绍

试验使用的仪器由压力控制系统和模型试验系统两部分组成。压力控制系统是由KS-50B型多功能高压渗透试验仪经改造而成，模型试验设备使用河海大学渗流试验室自行设计制造的接触冲刷试验仪，试样区主要有两部分组成，分别为粘土试样和心墙基岩(混凝土垫板)试样。粘土试样选用了两种双江口水电站堆石坝心墙土料：A类(干密度，含水率)；B类(干密度，含水率)。心墙基岩试样由于岩石材料在实际地层中结构比较复杂，随机差别大，且制作成试件的形状难控制，所以在试验中通常采用混凝土作为相似材料代替，本试验中混凝土垫板试样采用浇制并养护28d以上的硅酸盐水泥混凝土板。本试验通过设计多种试验组合模拟了三种不同的裂缝开度和两种围压状况，分别为1、2、2和0.10、0.20MPa。

3 试验成果

3.1 试验数据分析

首先抽取一组较为典型的试验数据，以其中的渗流流量和上下游水头差绘制出数据散点图，见图1所示。

图1 典型数据水头差△h～渗流量Q数据散点图

从图1中绘出的实测数据散点的发展规律可以较明显得看出整个试验的发展过程。可以发现，在图3左侧水头差△h较小的部分，也就是该试件的试验初期阶段，没有测得数据点，这是因为粘土的抗渗性能较强，当水头差较小时水流的渗透力还不足以克服粘土心墙颗粒间的阻力。从图1中数据点的发展规律还可以看出，当水头差△h=530cm时流量略有增加，然后在水头差△h在530～720cm范围内流量没有增加，甚至略有减小，说明试件已经进入临界状态，此时的水力坡降为临界坡降。当试件上下游的水头差△h继续增加至880cm时，渗透水流的流量增长比较平稳，而当水头差△h继续增长到900cm时，流量突然较之前增大（如图中标注的位置），说明此时试件有可能已经发生破坏，但就此时流量的绝对数值来看并不是很大，并且将水头差值继续维持在900cm时流量还有随时间逐渐减小的趋势，而且在实验过程中进行仔细观察仪器内筒出水口水质并没有发现有土颗粒被水带出或者水变浑浊的现象发生。

通过分析认为，产生这种现象是因为：在本项试验中，裂缝进口上游侧的粘土包裹层相对其后的裂缝来说渗透系数要小很多，所以上下游的水头差主要由此处的粘土承受，图1中显示出的测点水力坡降是针对整个试件而言的，而粘土包裹层本身较薄(仅3cm厚)，所以此处的水力坡降较其他部位的要大很多。在这种较高的并随水头差继续增大的水力坡降作用下，该处的粘土可能会逐渐湿化膨胀崩解，部分被渗透水流带入其后的裂缝中，而进入裂缝中的粘土颗粒由于下游反滤系统的保护作用逐渐停滞下来，并对裂缝进行了填充，使裂缝的渗透系数逐渐减小，所以才导致了试验中流量突然增大后又逐渐减小，而且仪器出水中也没有土颗粒出现或者变浑浊的现象。在试验结束后，拆开仪器观察内部试件，观察结果也印证了上述所作的分析。通过实验可以看到圆柱形试件上半部分已经出现很明显的破坏现象，尤其是中间靠近圆心的地方，而这个位置恰恰就是紧挨着裂缝进口的位置。

将本试验所有试验结果汇总于下表中，如表1所示。

表1 上游侧有粘土保护层的试验结果汇总表

3.2 参数概化计算

本模型试验中试件是由粘土试样和混凝土垫板试样两部分组成，并且在其上游用粘土包裹，由于试件各部分渗透性能差距很大且关系复杂，而试验测得结果是关于整个试件的，所以无法直接计算出其渗流各项参数，必须首先对其进行必要的概化。下面简要介绍两种概化计算方法。

第一种：首先假定从上游粘土包裹层起粘土试样和混凝土垫板试样两半圆柱体部分各自独立，互相之间没有水量交换，且粘土半圆柱体全部透水，参与渗流计算，而混凝土垫板部分仅裂缝处透水，其余部分认定为完全不透水边界。

计算时，先将试验初期测得的水头差△h和渗流量Q代入下式(1)中计算出渗透系数K。

式中A1、A2分别为粘土区域半圆形面积和裂缝面积,L1、L2分别为相应两部分渗径(A1=13cm、A2=3cm)。

以试验初期计算所得试件整体渗透系数K作为粘土半圆柱体部分的渗透系数并保持不变，然后将总流量Q拆分为粘土半圆部分的流量Q1和Q2裂缝的流量，最后反向计算出各水头差下裂缝部分的渗透系数K2和Q2流量，见式(2)。

至此，试件两部分所需渗流参数即可全部求出。

第二种：本方法仍然假定试件上游侧圆柱形粘土包裹层中阴影部分透水，其他部分完全隔水。不同之处是考虑粘土半圆柱体部分和裂缝部分的水量交换，并假定粘土部分从底部半圆开始任一点的水流方向为沿该点至裂缝1/4圆弧的切线方向。

计算中，裂缝部分的渗径L2仍然等于粘土保护层的厚度3cm，而粘土部分的渗径L1为粘土保护层的厚度与1/4球体部分的平均渗径之和，其中平均渗径可用积分求出，如式(3)。

所以粘土部分的渗径为：

然后与方法(1)的步骤相同，用式(1)和式(2)求出各部分所需渗流参数即可。

再将表1中破坏坡降平均值与裂缝开度的趋势图随着裂缝开度的增大，其相应破坏坡降逐渐减小，符合实际工程规律。虽然本试验只进行了1，2和3mm三种裂缝开度，但趋势图已较好地反映了这一规律。

3.3 试验结果

根据不同围压和不同填筑情况下的试验组合，统计其最终破坏渗压和围压的比值，分析其对裂缝渗流的影响规律。统计结

果见表2。

表2 破坏渗压和围压比值表

从表2中可以看出，填筑密度为1.60(g/cm3)时的渗压围压比相对1.65(g/cm3)时大了0.10左右，说明填筑密度为1.60(g/cm3)时的粘土试样抗渗性能更强。围压的作用主要体现在当其增大时，直接提高了试件的破坏渗压，即提高了渗流破坏比降，当围压为0.20MPa时的破坏渗压较0.10MPa时提高较大，平均提高了1倍以上。

4 结论

①通过对试验数据分析得出，在上游粘土包裹层和下游反滤层的双重作用下，实现了其“上堵”、“下排”的功能，很好地保护住心墙粘土不被坝基裂缝中的水流冲刷，并对裂缝进行了部分充填，使遭到破坏的防渗体性能逐渐恢复。②试验进行中，上游粘土包护层的渗透系数随水头差增大的速率远大于试件整体渗透系数的增大速率。③本试验中随着裂缝开度的增大，相应的试件破坏坡降逐渐减小，符合实际工程规律。④试验中当围压增大时，试件的破坏渗压也增大，即渗流破坏比降增大。两种围压下的试验中，0.20MPa时的破坏渗压比0.10MPa时提高了一倍以上。

[1]河海大学渗流实验室.双江口水电站高心墙坝心墙接触面渗透试验方法研究[R].河海大学水利水电学院,2009.

[2]海大学渗流实验室.300m土质心墙堆石坝垫板裂缝充填及其保护实验研究工作大纲[R].河海大学水利水电学院，2009.

（责任编辑：刘青）

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2016-07-15