泥浆护壁条件下缺陷混凝土防渗墙抗渗特性研究

杨春鸣

(四川大渡河双江口水电开发有限公司，四川 阿坝 624000)

1 研究背景

在深厚覆盖层中建造防渗墙时，不良的地质条件会给工程施工带来很大的困难，塌孔、泥浆渗漏、不均匀沉陷等问题非常突出，无论对于施工技术还是理论研究都提出了极高的要求[1-3]。为了确保防渗墙槽孔的稳定性，水利水电工程建设中普遍采用泥浆护壁的方法[4-6]。泥浆护壁是利用槽孔内外流体压差来维持壁面稳定的，泥浆在此过程中会入渗到槽孔附近区域一定范围的粗粒土内部，该区域内粗粒土的性质会由于泥浆中黏土颗粒的入渗而得到改善，土的孔隙会在一定程度上被填充密实，渗透性降低[7-9]。当泥浆渗透稳定时，会在槽壁面上形成透水性很低的泥皮，防渗墙浇筑完成后，泥皮处于防渗墙混凝土和覆盖层土体之间[10]。已有研究表明，泥皮自身致密的结构在抗渗以及防渗墙结构受力和变形时的缓冲和协调方面能够发挥一定作用[11-13]。泥浆渗透所形成泥皮的抗渗性能以及泥皮对于防渗墙混凝土缺陷的补偿作用已经通过试验和理论分析得到了验证[14-15]。为了进一步了解和分析防渗墙施工完成后，大坝上游蓄水情况下防渗墙的工作状态和抗渗特性，以新疆下坂地水利枢纽工程深厚覆盖层坝基防渗墙为例，建立渗流计算模型，进行大坝上游在正常蓄水位条件下的稳定渗流计算。在防渗墙混凝土局部存在缺陷时，对墙体与覆盖层土体之间有无泥皮条件下防渗墙的抗渗特性进行研究。分析在上下游水头差作用下，坝体内浸润线的形态规律、覆盖层湿度场的变化特征，以及作用在防渗墙上的渗透压力分布情况，进一步讨论泥皮对于缺陷混凝土防渗墙抗渗能力的影响。

2 缺陷混凝土防渗墙抗渗性能计算模型

2.1 模型与参数

图1为新疆下坂地水利枢纽工程坝基覆盖层的地质构造断面，覆盖层最大厚度为147.95m，依据其成因及颗粒组成大致可分为4层，从上到下依次为：坡碛块石、碎石及冲洪积砂卵砾石层，冰水碛砂层，冰碛含漂块碎石层，冰水碛含块卵砾石层。如图2所示，该水利工程大坝为沥青混凝土心墙堆石坝，最大坝高78m，坝顶高程2966m，坝顶宽10m、长406m，坝体从上游至下游的最大底宽为473m，坝轴线最短约308.5m。大坝坝体主要包括沥青混凝土心墙、心墙上下游过渡料、坝壳料、上下游坝坡干砌石护坡、坝内水平排水体、大坝下游排水棱体等。混凝土防渗墙布置在大坝心墙下，通过技术经济综合对比，选定了上部深85m、厚1m的混凝土防渗墙，下部接4排深66m灌浆帷幕的组合防渗方案。

图1 覆盖层地质构造横断面

图2 大坝横断面

建立的渗流计算模型如图3所示，按地质构造断面将覆盖层沿纵向划分为四层，总厚度为150m，自上而下各地层厚度为冲洪积砂砾石层30m、冰水碛砂层25m、冰碛含漂块石层55m、冰水碛含块卵砾石层40m。计算范围自上、下游坝坡的坡脚处向两侧各延伸260m，整个模型沿上下游方向的总长度为920m。防渗墙的深度及厚度按照实际工程资料确定，为了分别考虑混凝土防渗墙结构完整和存在缺陷的情况，并结合防渗墙与覆盖层土体之间是否有泥皮存在的条件，以实际工程资料为基础，共划分了表1中列出的4种计算方案。在计算过程中，采用改变防渗墙局部区域渗透系数的方法来模拟混凝土存在的缺陷，所模拟的缺陷部位选定防渗墙深度为15～20m、50～55m、70～75m的三个区域，各个区域处于不同地质条件的地层中，分别与材料特性不同的覆盖层土体相接触。渗流计算模型见图3。

表1 渗流计算方案

图3 渗流计算模型

计算模型中各种材料的渗透系数取值见表2。其中，缺陷混凝土材料的渗透系数按照试验中各组缺陷混凝土试件的渗透系数平均值进行确定；泥皮的渗透系数由各组渗水试验中泥皮的水力坡降与流速的关系得出，采用泥皮结构发生破坏之前的平均渗透系数作为计算参数。

表2 渗流计算材料参数

2.2 边界条件

在计算模型的上游坝坡面及覆盖层顶部表面上施加常水头边界条件进行稳定渗流计算。通过计算能够得到在大坝上游达到正常蓄水位条件下，坝体浸润线的形态及溢出点的位置，分析坝基各部分区域湿度场的分布和变化规律，得出流线的形态与走势、各断面的渗透流量以及上游蓄水在坝基覆盖层中向下游侧渗透时，作用在防渗墙上的渗水压力分布情况。

3 计算结果与分析

3.1 坝基覆盖层渗流计算结果

通过调整模型区域划分及计算参数，分别对表1中各方案进行模拟计算，图4～图15为各方案的计算结果，包括坝体内浸润线的形态、坝基覆盖层含水量的大小、渗透流线的走势、防渗墙两侧附近断面的单宽流量、水压力分布规律等。

从图中可以看出，不同计算方案稳定渗流条件下坝体内部浸润线的形态有着相似的规律。由于沥青混凝土心墙的渗透系数与大坝堆石料相比要小得多，分担水头的效果显著，渗流通过坝体上游堆石体时，水头损失不大，而当渗流通过沥青混凝土心墙后，浸润线高度跌落明显。各计算方案中，由于坝基防渗墙的缺陷程度不同及泥皮存在条件的差异，浸润线在通过心墙后所处的位置有所不同。方案三、方案四的浸润线位置与方案一、方案二相比明显偏高，即浸润线的位置随着坝基防渗墙缺陷程度的增加而抬高。防渗墙缺陷越显著，渗透达到稳定时，坝体下游侧的水位越高，说明防渗墙缺陷会对大坝整体的抗渗稳定性产生不利的影响。对于防渗墙存在缺陷的情况，方案四与方案三相比，浸润线的位置较高，即在考虑泥皮存在条件下，浸润线的位置会有所降低，表明泥皮起到了一定的防渗和分担水头的作用；当坝基防渗墙不存在缺陷时，方案一与方案二的计算结果差别不大，浸润线的位置均较低，说明在混凝土防渗墙结构完好的条件下，墙体抗渗能力强，考虑泥皮和不考虑泥皮的情况下所得浸润线的位置比较接近，此时，泥皮对于分担水头和提高墙体抗渗性能的贡献较小。通过对比各方案的计算结果可知，当混凝土防渗墙结构完好时，泥皮在防渗方面所起到的作用得不到明显的体现，而泥皮在混凝土防渗墙存有缺陷时能够表现出很好的防渗能力，对于防渗墙的抗渗性能以及大坝整体的防渗效果都具有非常显著的提高和补偿作用。

图4～图7显示，各计算方案坝基覆盖层含水量的计算结果较为接近，在坝体上游蓄水条件下，渗透达到稳定时，坝基覆盖层土体均达到饱和状态，土层的含水量即为饱和含水量。由于坝体内浸润线位置的不同，各计算方案中大坝下游浸润线以上非饱和区域的分布情况有所差别，浸润线位置越低，非饱和区域越大，且越接近坝体顶部位置含水量越低。

图4 方案一含水量分布

图5 方案二含水量分布

图6 方案三含水量分布

图7 方案四含水量分布

图8～图11分别显示了各计算方案坝基覆盖层中流线的分布情况及防渗墙上下游侧断面单宽流量的大小。可以看出，各组计算流线的分布规律基本相同，而随着防渗墙缺陷程度的增加，防渗墙上下游侧断面的单宽流量逐渐增大。方案一中，防渗墙不存在缺陷且考虑泥皮存在情况下的断面单宽流量最小；方案四中，防渗墙存在缺陷且不考虑泥皮存在情况下的断面单宽流量最大。在防渗墙存在缺陷时，通过将方案三和方案四的计算结果进行比较可以看出，考虑泥皮时的单宽流量明显小于不考虑泥皮的情况，表明泥皮能够有效地降低缺陷混凝土防渗墙的渗透性，提高墙体的抗渗性能。当认为防渗墙不存在缺陷时，通过对比方案一和方案二的计算结果可知，两种情况下断面的单宽流量差别不大，泥皮存在时能够在一定程度上起到分担水头的作用，防渗墙承担的水头相对于不考虑泥皮的情况要小，渗流通过防渗墙断面的单宽流量亦稍有降低，但由于结构完整、无缺陷，混凝土防渗墙抗渗性能良好，泥皮在防渗方面所起到的作用相对较小，两种方案计算得出的单宽流量相差无几。

图8 方案一流线分布及断面流量 (单位：m2/s)

图9 方案二流线分布及断面流量 (单位：m2/s)

图10 方案三流线分布及断面流量 (单位：m2/s)

图11 方案四流线分布及断面流量 (单位：m2/s)

3.2 防渗墙渗透压力的分布规律

坝体上游侧的蓄水在水头差的作用下会通过大坝堆石体、坝基覆盖层土体以及防渗墙向下游侧发生渗透，防渗墙由于较低的渗透系数使得其自身成为了主要的防渗结构，由渗透所产生的渗透压力会集中作用在防渗墙上。

图12～图15为四种计算方案水压力分布的等值线图，从图中可以看出，当渗流达到稳定时，墙体上游侧的水压力较大，下游侧水压力较小，上下游面存在一定的压力差。对于方案一和方案二中不考虑防渗墙存在缺陷的情况，由于结构完整的防渗墙与由泥皮和防渗墙所组成的防渗结构相比，其抗渗性能相差无几，因此，两种条件下防渗墙上下游侧坝基覆盖层中水压力的分布规律非常接近，墙体上游侧水压力较大，下游侧水压力较小，墙体两侧的水压力差较大。对于方案三和方案四中考虑防渗墙存在缺陷的情况，坝基覆盖层中水压力的分布规律发生了一定的变化，防渗墙上游侧的水压力与下游侧的水压力相比仍然较大，但墙体两侧的压力差有所减小。这是由于防渗墙的缺陷处成为墙体抗渗的薄弱部位，渗透量随着防渗墙抗渗能力的降低而增加，渗透达到稳定后，墙体两侧的水压力有逐渐均匀化的趋势，导致防渗墙两侧的水压力差有所降低。方案四与方案三相比，防渗墙压力差减小的趋势更为明显，由于防渗墙的缺陷得不到泥皮的补充，承担水头的能力下降导致渗流经过防渗墙后水头损失很小，防渗墙两侧的水压力差明显减小。方案三中存在泥皮的情况与方案四中不存在泥皮的情况相比，防渗墙上游侧水压力相对较大，而下游侧水压力相对较小，墙体两侧的水压力差较大，说明泥皮凭借其自身较强的抗渗性能在分担水头方面发挥了一定的作用，这种现象进一步体现了当防渗墙存在缺陷时，泥皮的存在对于坝基防渗的重要意义。由于坝基防渗体采用了上墙下幕的结构型式，灌浆帷幕位于防渗体的底部，其抗渗性要低于防渗墙，因此，上下游两侧的水压力差在防渗结构的底部呈现出略有减小的趋势。

图12 方案一水压力分布 (单位：kPa)

图13 方案二水压力分布 (单位：kPa)

图14 方案三水压力分布 (单位：kPa)

图15 方案四水压力分布 (单位：kPa)

在蓄水从上游侧向下游侧发生渗透的过程中，防渗结构上所承担的渗透压力对其自身的工作状态有着重要的影响。根据稳定渗流的计算结果可以得出防渗墙及帷幕上下游侧的渗透压力沿深度的分布规律，如图16～图17所示，各计算方案中，防渗结构上下游侧的渗透压力沿深度的分布规律基本相同，即随着深度的增加，渗透压力呈逐渐增大的趋势。对于不考虑防渗墙存在缺陷的方案一和方案二，防渗结构上下游侧的渗透压力非常接近，曲线近乎重合；对于防渗墙存在缺陷的方案三和方案四，与前两种方案相比，上游侧的渗透压力相对较低，而下游侧的渗透压力相对较高，在防渗墙存在缺陷的部位，墙体上的渗透压力存在突然变化的转折点，上游侧的渗透压力突然减小，而下游侧的渗透压力突然增大，在墙体存在缺陷且不考虑泥皮作用的方案四中，这种趋势最为明显。

图16 四种计算方案防渗结构上游侧渗透压力沿深度的分布

图17 四种计算方案防渗结构下游侧渗透压力沿深度的分布

图18显示了作用在防渗结构上的渗透压力差沿深度的分布规律。可以看出，不考虑防渗墙存在缺陷的方案一和方案二的计算结果非常接近，作用在防渗结构上的渗透压力差沿着深度的变化幅度不大，随着深度的增加，渗透压力差略有减小。当防渗墙存在缺陷时，是否考虑泥皮情况下的渗透压力差，其计算结果有着较大的差别，方案四与方案三相比，在整个深度范围内，防渗结构上的渗透压力差明显较小。在防渗墙的缺陷部位，存在渗透压力差骤然减小的转折点，由于此处墙体的渗透性下降导致流量增大，上下游侧的水压力差趋于均匀化的态势非常明显，防渗结构两侧的渗透压力差显著降低。随着深度的增加，作用在防渗结构上的渗透压力差变化幅度较小，基本趋于稳定。

图18 四种计算方案防渗结构上下游渗透压力差沿深度的分布

表3对各方案的计算结果进行了统计和汇总。可以看出，随着防渗墙缺陷程度的加深，渗流达到稳定时，防渗结构上下游侧的浸润线的高差、最大渗透压力差都有逐渐减小的趋势。渗透流量随着防渗墙缺陷程度的提高而增大，在防渗墙不存在缺陷时，有无泥皮情况下的渗透流量差别不大，即当认为防渗墙结构完好时，泥皮在防渗方面所起到的作用无法得到充分体现。当防渗墙存在缺陷时，泥皮的存在与否对于渗透流量的影响非常显著，对比方案三和方案四的计算结果，不考虑泥皮情况下的渗透流量明显较大，这也从渗透流量的角度再次证明了泥皮的存在对于防渗墙缺陷所起到的补偿作用。通过对防渗结构上渗透压力的分布情况进行分析，可以了解混凝土缺陷及泥皮对于防渗结构工作状态的影响。此外，渗透压力是防渗结构所承担的重要荷载之一，充分掌握作用在防渗结构上渗透压力的情况，对于进一步研究防渗墙在多重荷载作用下的受力和变形特性有着非常重要的意义。

表3 四种方案的计算指标

4 结 论

a.在正常蓄水位条件下，通过建立大坝稳定渗流模型进行计算和分析，表明泥皮的存在对于渗透稳定后浸润线的形态及溢出点位置、渗透流量、防渗墙渗水压力的分布状态都会产生一定影响。

b.结构致密的泥皮具有较强的抗渗性能，当混凝土防渗墙存在缺陷时，泥皮对于防渗墙抗渗性能的补偿作用较为明显，在考虑泥皮存在的条件下，浸润线溢出点的位置有所降低，渗透流量相对较小，渗透规律更接近于混凝土防渗墙结构完整时的状态；当混凝土防渗墙结构完整无缺陷时，抗渗作用主要仍由防渗墙来承担，是否存在泥皮对于防渗结构的抗渗性能影响不大。

c.防渗结构上下游侧的渗透压力沿深度的分布规律基本相同，即随着深度的增加，渗透压力呈逐渐增大的趋势。不考虑防渗墙存在缺陷时，作用在防渗结构上的渗透压力差沿着深度的变化幅度不大；当防渗墙存在缺陷时，防渗结构上的渗透压力差相对较小，泥皮的存在使得防渗墙渗透压力差在整个深度范围内变化不大，在防渗墙缺陷部位不考虑泥皮的情况下，渗透压力差骤然减小，防渗结构的抗渗性能显著降低。