土工膜修复浆砌石重力坝渗漏的效果分析

王力波，岑威钧，郑长海

(河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098)

浆砌石重力坝是用胶结材料砌筑石料建成的重力坝，主要依靠自身重量保持坝体稳定和满足强度要求[1-2]。这种坝型能就地取材，方量比土石坝少，导流和度汛问题较易解决，比常规混凝土重力坝节省大量水泥，但耗费劳力较多。浆砌石重力坝适用范围比较广泛，只要地质条件符合，坝址区石料丰富，均可考虑建造浆砌石重力坝[3-4]。中国不少砌石坝建于解放前后，当初筑坝质量较差，坝体石料间的砌缝胶结材料填筑不够密实，后续运行过程中出现了渗漏现象[5-8]，后续渗漏修复中往往在上游坝面增设混凝土面板或土工膜等防渗措施[7-8]。

土工膜是一类新型柔性防渗材料，具有良好的防渗性、耐热性、耐寒性和化学稳定性，有较大断裂伸长率，适应变形能力强，且造价低，已广泛应用于堤防、库盘、蓄水池、围堰等防渗工程，同时也应用于土石坝等(较)高水头防渗工程中[9-10]。根据国际大坝委员会2010年的统计资料，国际上已有160余座大型堆石坝采用土工膜防渗，并取得了良好的工程效果。目前中国对土工膜防渗土石坝渗流的研究成果很多[11-15]，但对土工膜防渗浆砌石重力坝的渗流研究相对较少。

本文以某浆砌石重力坝进行土工膜渗漏修复为例，采用GeoStudio软件对大坝进行渗流场有限元计算，得到大坝水头分布、渗流量、渗透坡降、防渗土工膜后浸润线高度等结果，对土工膜渗漏修复效果进行评价。

1 工程概况与计算模型

某浆砌石重力坝，坝高46 m，坝顶宽7.25 m，非溢流段坝长146.5 m，非溢流段剖面见图1。坝基上部为强风化岩石，深度约为30 m，中部为弱风化岩石，深度约为32 m，底部为相对不透水层。在坝踵处布置主帷幕孔，在主孔下游布置副帷幕孔，采用间隙灌浆法对坝基进行灌浆，主帷幕孔深度达30 m，副帷幕孔深度达20 m。坝基有断层，断层宽约2 m，与坝基面交角约为45°，断层胶结程度较差，帷幕灌浆通过断层。在坝基面设C15混凝土垫层。由于大坝建造时间较早，坝体和坝基均出现了严重的渗漏。渗漏修复设计方案论证时，提出在上游坝面设置0.8 mm厚的HDPE土工膜作为防渗面板，土工膜表面外挂预制混凝土板，用于保护土工膜免受库水和日照等环境影响，防止水库漂浮物撞击土工膜及延缓土工膜老化；同时在坝基廊道内，按1.5 m间距，前后两排进行帷幕灌浆，提升坝基帷幕的防渗功能。土工膜与帷幕之间通过坝基混凝土垫层相接，形成自上而下封闭的防渗体系。上述渗漏修复方案需要通过渗流场计算来论证其合理性。

图1 非溢流段剖面

本文以非溢流坝段为研究对象，坝基深度取90 m，约为2倍的坝高，顺河流向在坝踵、坝趾上下游各取115 m。大坝有限元网格见图2，其中结点数为6 686，单元数为6 568。由于土工膜厚度很薄，有限元建模时将其等效成20 cm厚的多孔介质防渗体[16]，进行网格剖分。渗流有限元计算参数见表1，计算工况见表2。

图2 大坝有限元网格

表1 渗流有限元计算参数 单位：cm/s

表2 计算工况 单位：m

2 渗流场特性分析

2.1 等水头线分布及膜后浸润线高度

图3、4给出了帷幕失效(工况1)和正常运行(工况2)条件下大坝等水头线分布。设计工况和校核工况下的计算结果与图4(工况2)相似，仅数值有所差别，等水头线分布图不再一一给出。由图3可见，由于坝面设置防渗土工膜，削减了绝大部分水头差，坝内浸润线位置低，位于坝基面以上一定高度。坝基帷幕失效时(工况1)，坝基等水头线分布均匀，在坝基地层分界处及断层处等水头线有明显转折，说明不同地层及断层对等水头线分布有一定影响。由图4可见，正常工况下，由于坝基帷幕、坝基混凝土垫层及坝面土工膜形成了完整的防渗系统，大坝等水头线主要集中于坝面土工膜和坝基帷幕处，坝体浸润线高程低，仅高于建基面约1.36 m，表明采用坝面设置土工膜进行渗漏修复后大坝的防渗性能很好。

图3 帷幕失效工况等水头线分布

图4 正常运行工况等水头线分布

计算得到帷幕失效工况、正常运行工况、设计工况和校核工况下坝体膜后浸润线高度分布为1.52、1.36、5.95 m(比下游水位高0.86 m)和6.52 m(比下游水位高0.84 m)。由于坝基帷幕灌浆防渗作用显著，正常运行工况下的膜后浸润线比帷幕失效(工况1)时的膜后浸润线高。另外，由于下游有水，设计工况和校核工况的膜后浸润线比正常运行工况的膜后浸润线高。随着上游库水位的增加，膜后浸润线高度与下游水位差值也逐渐增加。

2.2 渗透坡降

根据计算结果，帷幕失效(工况1)下坝体内的最大渗透坡降为1.60，出现在下游坡出渗点附近。正常运行(工况2)下坝体内的最大渗透坡降为0.92，出现在下游坡出渗点附近，帷幕灌浆的最大渗透坡降为20.46，出现在帷幕灌浆的坝基高程附近，未超过一般允许值30。由于坝基帷幕灌浆的防渗作用，正常运行工况下坝体内的最大渗透坡降比帷幕失效工况下坝体内的最大渗透坡降小。设计工况和校核工况下坝体最大渗透坡降分别为0.84、0.86，其逸出点位置都出现在下游坡出渗点附近，由于上游水位发生变化(设计工况和校核工况上游水位分别比正常运行工况上游水位高1.21、2.56 m)，下游水位抬高后，坝体内最大渗透坡降略有减少，并且坝体内最大渗透坡降随上下游水位差的增加而增大。

2.3 渗流量

各工况下，计算得各区域流量结果以及总流量见表3。由表可知，上游坝面由于设置了土工膜防渗面板，坝面入渗流量小于10-9m2/s，防渗效果非常理想，几乎可视为不透水。修复后的坝基主帷幕灌浆深度为30 m，副帷幕灌浆深度为20 m，都位于强风化层。正常运行(工况2)与帷幕失效(工况1)相比，坝基强风化层渗流量减少54%，这是由于位于强风化层被帷幕灌浆贯穿，显著减小了该地层的坝基渗流量；但同时由于帷幕灌浆端部绕渗作用，使得弱风化层渗流量相比工况1增加172%。由此可见，帷幕灌浆对坝基渗流量影响较大，防渗作用显著。帷幕失效工况和正常运行工况下大坝单宽总渗流量分布为82.35×10-6、49.41×10-6m2/s，后者相比前者渗流量减小了40%，表明坝基帷幕灌浆防渗作用显著。正常运行工况、设计工况和校核工况时上下游水头差分别为42.50、38.62、39.38 m，相应的单宽流量分别为49.41×10-6、44.90×10-6、45.78×10-6m2/s，可见随着上下游水头差的增大，大坝总渗流量及各区域渗流量均逐渐增加。

表3 各区域流量计算结果 单位：10-6 m2/s

图5、6为各工况下的上、下游地表结点入渗和出渗流量分布。由图5、6可知，各工况下，上下游地表结点流量分布规律相同，坝趾(踵)处流量很小，距离坝趾(踵)1 m处(坝底混凝土垫层与坝基临界处)流量最大，从坝趾(踵)处到距离坝趾(踵)1 m处流量骤增，距离坝趾(踵)大于1 m时，随距离的增加，结点流量逐渐减小，且距离越远，同一结点的各工况上下游地表渗流量相差越小，由此表明坝基渗流主要集中里坝踵和坝趾一定范围内，远处坝基的入渗和出渗已经很小，可忽略。随着上下游水头差的增大，各工况下大坝上下游地表结点渗流量也逐渐增加，其中正常运行工况下的上下游地表结点渗流量相比帷幕失效工况下相应结点的渗流量明显减小，说明帷幕灌浆的防渗作用显著。将各结点流量求和，可得上游坝基入渗流量与下游坝基出渗流量，由表3可见，大坝总的入渗流量与出渗流量保持了平衡。

图5 上游地表结点入渗流量分布

图6 下游地表结点出渗流量分布

2.4 渗流流速矢量

帷幕失效工况和正常运行工况的渗流流速矢量分别见图7、8。由图7、8可知，断层处流速方向与断层走向一致，上游入渗处和下游逸出处流速相对较大，正常运行时坝基渗流速度相对帷幕失效时较低，其中帷幕失效时的最大流速出现在上游入渗点附近，最大值约为5.32×10-6m/s，正常运行时的最大流速出现在下游坝趾处，流速约为2.78×10-6m/s。可见坝基帷幕灌浆改变了坝基渗流的流速场，影响了坝基的渗流性态。

图7 帷幕失效工况坝基流速矢量

图8 正常运行工况坝基流速矢量

3 结语

a)坝面土工膜水头削减显著，控制了坝体渗流场的水头分布和浸润线高度。正常运行下膜后坝体浸润线仅高于建基面约1.36 m，表明坝面设置土工膜适用于浆砌石重力坝渗漏修复。

b)随着上下游水头差的增大，大坝渗流场各区渗流量和总渗流量逐渐增加，同时上下游地表结点入渗和出渗流量也逐渐增加，但出入流量保持平衡。

c)随着上下游库水位差值的增加，大坝渗透坡降逐渐增加，但均小于允许值；下游水位抬高后，膜后浸润线增高。