土石坝除险加固过程中防渗墙缺陷对渗流稳定性的影响

刘炳明，张庆波，王海青

（1.江苏省连云港市赣榆区城头镇水利管理服务站，江苏 连云港 222100；2.江苏省连云港市赣榆区水利局，江苏 连云港222100；3.江苏省连云港市赣榆区机电排灌管理站，江苏 连云港 222100）

0 引言

水是影响岩土体材料抗剪性质主要因素，土石坝在长期的水位变化过程中，坝体内部发生渗流作用，影响土石坝材料特性，进而对坝体稳定性造成影响[1-3]。

对于覆盖层较厚的坝体，采用混凝土防渗墙作为防渗体是一种经济有效的处理方式[4-5]。防渗墙施工工艺在实际施工的过程中，施工质量难以把握，防渗墙墙体易出现施工缺陷，例如厚薄不均、空洞等现象，这些缺陷可能对原设计的防渗效果造成严重影响[6-8]。

利用有限元SEEP/W 软件，对不设置防渗墙和有防渗墙缺陷的坝体进行渗流分析。

1 模型的建立及模型参数

某小型农田水库总库容大约为12000000 m3，原设计坝顶宽为7 m，坝顶高程为50 m，坝身为碾压式均质土石坝。土石坝经过多年运行，坝体出现渗漏，土石坝的下游坡段出现大面积的坍塌，水库的安全运行受到严重影响。通过综合分析，需要对土石坝进行防渗加固，降低坝体的浸润线。土石坝全貌图见图1。

图1 土石坝全貌图

库岸岸坡为粘土心墙土石坝，依据相关试验以及规范[9]，对岩土体相关物理参数进行经验取值，土体采用非线弹性的邓肯张模型，坝坡相关的物理力学参数见表1。

表1 坡体相关物理力学参数

利用SEEP/W 软件，对设置防渗墙前后的坝体进行渗流和稳定性分析。

2 防渗墙设置前坝体有限元

选取DK6+000 断面进行渗流分析，并在该断面安装测压管，分析设置防渗墙前后坝体的水头变化，防渗墙测压管安装示意图，见图2。

图2 DK6+000 断面处测压管安装示意图

在该断面共安装了4 个测压管，断面中，位置水头为35 m。在设置防渗墙前，设置上游水头为5.5 m，对自由水面和上游水头均未设定。利用测压管监测下游边界的水头，Phase2 计算得到的DK6+000 断面处总水头曲线见图3，计算得到的设置防渗墙前坝坡下游侧的总水头曲线见图4，设置防渗墙前坝体各部分的渗流量见图5。

图3 DK6+000 断面处总水头曲线

图4 设置防渗墙前下游总水头曲线

图5 设置防渗墙前坝体各部分的渗流量

根据渗流理论中水头计算公式，压力水头= 总水头-位置水头，从图3 和图4 中可看出从上游到下游，未设置防渗墙前压力水头介于1 m～5.5 m 之间，符合实际情况。从图5 中可看出，墙身的渗流量几乎占了总渗流量的90%，这是由于粉砂层的渗透系数远远大于其余土层的渗透系数，在该土石坝防渗加固过程中，应着重考虑对粉砂层的处理。

3 防渗墙缺陷对土石坝渗流的影响

对原坝体进行防渗加固处理，拟采用高压喷射灌浆来设置防渗墙。高压喷射灌浆是通过其高压力作用，对地层进行搅拌和切割，然后灌入水泥砂浆，使水泥砂浆与原土体混合，来提高原土体的固结性，降低原土体的渗透性。

但在实际施工过程中，很难把握好施工质量，防渗墙墙体易出现施工缺陷，例如厚薄不均、空洞等现象，这些缺陷可能对原设计的防渗效果造成严重影响，本节将对防渗墙出现缺陷时的坝体进行渗流稳定性分析。

原坝体的填筑土层有四层，假设每个土层均有一个孔洞，直径0.5 m，利用测压管监测防渗墙出现这些孔洞时下游侧的水头曲线。防渗墙出现缺陷时坝体下游侧的水头曲线见图6。

图6 防渗墙出现缺陷时坝体下游侧的水头曲线

由图6 中分析结果可知，当防渗墙中出现缺陷时，由于粉砂层的渗透系数最大，土层③的水头下降幅度最大，粘土的渗透系数较低，土层①的水头下降幅度最小。

由于粉砂层的渗透系数最大，在土石坝防渗加固处理时，应着重对粉砂层进行处理，防渗墙出现缺陷时不同土层的渗流量见图7，设置防渗墙后粉砂层出现缺陷时与未设置防渗墙时坝体渗流量对比结果见图8，设置防渗墙后粉砂层存在缺陷时的自由面和等势线见图9，设置防渗墙后粉砂层存在缺陷时的坝体渗流分析见图10。

图7 防渗墙出现缺陷时不同土层的渗流量对比

图8 无防渗墙时与防渗墙粉砂层有缺陷时坝体渗流量对比

图9 防渗墙粉砂层存在缺陷时的自由面和等势线

图10 防渗墙粉砂层存在缺陷时坝体渗流情况

由上述分析结果可知，防渗墙出现缺陷时对坝体防渗效果影响较大，设置防渗墙后，如果墙体出现缺陷，坝体的渗流路径发生改变，渗流路径将会变短，渗流量增大，岩层的渗透系数越大，防渗墙缺陷对坝体渗流的影响越大。

由图8 可以看出，设置防渗墙后，当粉砂层存在缺陷时，其渗流量与未设置防渗墙时的渗流量相比，防渗效果极其差，几乎失去了设置防渗墙的意义。

由图9 和图10 可以看出，当防渗墙粉砂层存在缺陷时，在缺陷处，等势线发生突变，渗流路径发生改变，防渗加固效果会明显减弱。

4 结论

利用有限元SEEP/W 软件，对不设置防渗墙和有防渗墙缺陷的坝体进行渗流分析。

防渗墙体存在缺陷时对坝体内自由面的影响很大，因此防渗墙缺陷对坝体防渗效果产生很大影响。假定防渗墙的四个土层均出现空洞，当缺陷所在的土层渗透系数越大时，防渗墙的防渗效果就越差，当防渗墙粉砂层中出现0.5 m 的空洞时，防渗效果极其差，几乎失去了设置防渗墙的意义。

在施工的过程中，控制施工速度，采用高压喷射灌浆时，应使水泥砂浆与原土体充分混合。还应控制好混凝土的养护龄期，同时保证后期堤坝有良好的导渗排水能力，以便在水库水位下降时库岸土体中的孔隙水压力能快速消散，以免产生滑坡和渗透变形。