穿越大坝防渗墙的排污管道对防渗墙防渗特性的影响

戴志敏 中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司

防渗墙作为大坝的重要组成部分，对大坝的防渗性能具有重要的作用，防渗墙结构的破坏将改变地基的渗流特性造成变形，严重威胁大坝与库区的安全。虽然目前研究涉及了大量关于防渗墙对大坝渗流特性的影响，但针对实际工程中防渗墙结构整体性破坏对其防渗特性的影响却少有讨论。

1.工程概况

污水管网的联通联网是目前国家发展的必要趋势，市政污水管网项目逐渐向城镇转移。某县污水管顶管项目原设计管线经过2次折线分为3段施工，3个工作井，管线总长度约280m。但受地形地质以及周边建筑物等条件的影响，设计方案需穿越某水电站大坝的左侧防渗墙。考虑到大坝防渗墙作为水利工程的重要组成部分，其结构完整性对工程的防渗效果具有重大的影响，而污水管线的施工势必导致防渗墙结构整体性的破坏，从而对其防渗效果产生较大的影响。故在施工前有必要讨论该方案对大坝渗流特性的影响。

本文根据工程资料建立三维模型，采用有限元法分析了施工前后防渗墙及其一定范围内的地下水位变化，探明了污水管线施工对防渗墙防渗特性的影响，提出了一定的工程建议。

2.计算模型与参数

根据坝顶高程（206m）与坝底高程（178m），计算范围选取约为坝高的4倍。考虑到污水管仅穿越大坝一侧的防渗墙，且大坝左右岸对称的结构特征，以防渗墙连接的坝肩为原点，模型向四周各取100m，最大高程215m，底部高程100m。盾构截面为1.5m的圆形，在影响范围6m内沿于坝轴线方向选取4个截面分析（图1a），几何模型与地质材料分区如图1b所示。分析采用商务软件ABAQUS建立有限元模型。模型考虑了地貌与地质结构面，采用6面体单元与4面体单元（图1c）。模型的上下游面分别加上下游水位，模型底面与横河向的两个侧面为不透水边界；计算分析采用生死单元模拟施工过程，分析采用稳态分析步。

图1 计算范围示意图与模型

计算范围内的地层渗透系数分别为：1.5×10-1cm/s（Qal+dl）、3.9×10-3cm/s（Qal+pl）、5.7×10-4cm/s（O2+3）。同时考虑到防渗墙周围地层主要为覆盖层，施工前先沿管线和防渗墙两侧进行了灌浆处理，以提高该区域地层的整体性，灌浆后的渗透系数为1.2×10-4cm/s。坝体与防渗墙渗透系数分别为1.1×10-9cm/s和1.2×10-8cm/s。计算分析时采用校核洪水位对应的上游水位（204.81m）与下游水位（193.07m）分析模型范围内的稳定渗流场。

3.施工前后大坝渗流特性分析

由于计算中无法直接计算地下水位，故分析中首先将孔隙压力转换为水头，以水头为0的部位作为地下水位的分界线，并结合实际高程得到地下水位，计算结果如图2、表1所示。

表1 施工前后各剖面渗流特性对比

3.1 施工前后防渗墙地下水位变化

图2 表明校核水位工况下未施工前，防渗墙靠近上下游面的部位地下水位线高程分别为202.19m与201.36m；施工后防渗墙上下游面的地下水位线高程分别为203.42m与200.46m。由以上结果可知，施工前防渗墙能够有效的降低库水的渗漏，防渗墙上下游地下水位平均降低了1～2m；由于在施工前对污水管线穿越防渗墙部位的周边进行了灌浆处理，施工后防渗墙仍能够有效的降低库水的渗漏，防渗墙上下游地下水位平均降低了2～3m。

图2 施工前后防渗墙地下水位变化（单位：m）

3.2 施工影响范围内地下水位变化

对比分析施工前后防渗墙与各截面的上下游地下水位可知，施工后管线穿越的局部范围内上游水位有一定的升高，同时下游水位有一定的降低。其中，剖面4的上游地下水位提升最大，约为1.79m；剖面1的下游地下水位下降最大，约为0.83m。同时，施工后防渗墙与各截面上下游地下水位差有明显的提高。这主要是由于在施工前，对施工局部进行了灌浆处理，提高了土体的强度降低了土体渗透系数，提升了局部的抗渗能力。虽然施工在一定程度上破坏了防渗墙结构的完整性，但局部灌浆的处理能够有效的防止渗漏的发生。此外，虽然施工后局部区域最大渗透坡降增大至4.81，但规范规定的100，故该施工方案满足防渗要求。

4.结论

针对某污水管线工程穿越大坝防渗墙可能带来的防渗墙防渗特性降低的具体工程问题，采用三维有限元分析了施工前后防渗墙周围地下水位的变化情况，主要得到了以下结论：

（1）污水管线施工后，由于局部灌浆作用提高了防渗墙周围的土体的整体性，减小了其渗透系数，使得施工后防渗墙上游地下水位有所提升，下游地下水位有所降低，改善了防渗墙的防渗特性。

（2）虽然污水管线在施工过程中不可避免的破坏了防渗墙的结构完整性，但局部灌浆在一定程度上改善了防渗墙以及周围受影响区域的渗流特性，局部灌浆的处理方法合理有效。

（3）三维有限元法能够有效的分析污水管线穿越大坝防渗墙前后