高土石坝双防渗墙渗流特性研究

徐 颖，王 伟，李 艳 玲，杨 哲，卢 祥

(1.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065； 2.四川大学 水利水电学院，610065； 3.四川水利职业技术学院，四川 成都 611231)

0 引 言

防渗墙是一种重要的垂直防渗手段，其具有防渗性能好、防渗效果可靠等优点，在土石坝基础处理中得到了广泛的应用[1-2]。对于一些地质条件复杂的高土石坝工程，由于水力梯度等的限制，往往选用双防渗墙的防渗型式，如九甸峡[3]、瀑布沟[4]、长河坝[5]、三峡工程二期围堰[6]等。实践表明，双防渗墙防渗效果较好，但双排防渗墙的渗透系数、墙底帷幕深度及墙幕组合形式等对渗流场的影响规律较为复杂，因此双排防渗墙的布置设计也是坝工领域研究最多的课题之一。

郭成谦[7]利用电拟试验研究了双防渗墙的间距及渗透系数比对防渗效果的影响，并提出了设计原则；Liu等[8]采用TEPM模型分析了瀑布沟不同防渗墙与廊道连接型式的应力分布，得到“可动连接”型式下主应力更小；邱祖林等[9]对双防渗墙的应力应变特性进行了分析，并基于此对两墙的材料参数给出了建议；张飞等[10]通过计算得出双防渗墙比单防渗墙在应力变形上安全可靠度更高；李斌等[11]对比分析了防渗墙数量、厚度和布置型式，优选了双墙前后布置、副墙位于上游的方案；王正成等[12]进行了双排防渗墙的防渗效果试验，发现深度较大的防渗墙消减水头更大，采用“前短后长”的布置形式能更有效降低渗流量和出逸坡降；邹德兵等[13]对心墙与坝基防渗墙的连接构造进行了研究，指出宜采用主防渗墙廊道式、副防渗墙插入式布置。这些研究为完善双防渗墙的结构设计理论和方法提供了较好的参考，但实际工程中常出现副防渗墙实际折减系数远小于设计值，主防渗墙渗透坡降偏高，墙间水位较高的情况，因此研究双防渗墙对坝基渗流分布的影响规律意义重大。

渗流计算常用的方法有解析法、图解法和数值计算方法。本文采用ABAQUS构建瀑布沟高土石坝的坝-地基渗流分析模型，设置不同的渗透系数组合和不同的帷幕深度组合方案，开展数值模拟试验，探索双防渗墙的渗透系数及下接帷幕深度对坝基渗流分布的影响，以期为同类工程防渗体系设计和渗流监测资料分析提供参考。

1 渗流分析原理

(1) 渗流基本微分方程。忽略惯性作用下，三向异性的多孔介质土体中发生渗流时，满足达西定律，表达式如下：

(1)

式中：vx，vy，vz为3个方向的渗流流速；kx，ky，kz为3个方向的渗透系数；h为水头损失。

又根据质量守恒定律，可得渗流连续性方程：

(2)

式中：ρ为水的密度；n为土体孔隙率。

考虑流体的不可压缩性，则式(2)可简化为

(3)

将式(1)代入式(3)，得稳定渗流微分方程：

(4)

当渗透系数为常量，且假设土体具各向同性，即kx=ky=kz，则稳定渗流微分方程可简化为

(5)

(2)微分方程的定解条件。定解条件分为边界条件和初始条件，其中边界条件分为3类：

水头边界条件：

h|Γ1=f1(x，y，z，t)

(6)

流量边界条件：

(7)

混合边界条件：

(8)

实际应用时常将水头边界条件作为初始条件，即流场的水头分布，在开始时刻t=0时对完整流场起支配作用[14]。本文亦采用其作为初始条件。

2 工程概况及计算模型

2.1 工程概况

瀑布沟砾石土心墙坝最大坝高为186 m，坝顶长504 m，坝顶宽14 m，上游坡比为1∶2.0和1∶2.25，下游坡比为1∶1.8。坝基设在覆盖层上，一共有3层，最大厚度达75.4 m，从上到下依次为：①层为漂(块)卵石层(Q42)，具有中等-强透水性；②层为含漂卵石层(Q41-1)，③层为卵砾石层(Q41-2)，透水性较强，②层和③层渗透力学性质相似，可简化为同一层。覆盖层下是少量花岗岩，弱风化、弱卸荷，具有弱透水性；弱风化基岩下为新鲜基岩，透水性差。

由于坝基河床覆盖层的透水性较强，大坝上游水头高达180 m，单道防渗墙承受的水力梯度过大，故采用两道防渗墙。此外，F2断层斜切河床穿过坝基，以断层为界，上部多为浅变质的可灌基岩，因此，坝基防渗采用墙幕结合的形式。主、副防渗墙厚度均为1.2 m，两道墙中心间距14 m，其中主防渗墙顶与廊道连接，墙底嵌入基岩1.5 m，墙底设50 m深的防渗帷幕；副防渗墙位于主墙上游侧，墙顶插入心墙内部10 m，墙底嵌入基岩1.5 m，墙底设10 m深的帷幕，防渗墙与心墙及基岩防渗帷幕共同构成主防渗平面。大坝最大剖面0+310如图1所示。

图1 大坝最大剖面图(单位：m)Fig.1 Maximum profile of the dam

2.2 计算模型及材料参数

选取大坝最大纵断面，采用ABAQUS建立坝-地基渗流分析模型，如图2所示。其地基模拟范围为：上下游方向自坡脚分别延伸2倍坝高，深度方向延伸2倍坝高。离散后的坝-地基体系有限元模型含8 362个单元，其中坝体1 377个，防渗墙及墙底帷幕42个，坝基覆盖层1 387个，基岩5 556个。渗流分析时上游水位采用正常蓄水位，即坝前水深为180 m。为便于对比分析各种工况下坝基渗流分布情况，在副防渗墙上部选定墙前点a，墙后点b；主防渗墙底部选定墙前点c，墙后点d，具体位置如图2所示。

图2 有限元计算模型网格Fig.2 Finite element calculation model grid

计算模型参数来自防渗结构设计报告和参考文献原始资料[15-16]，大坝各部位及坝基各层材料的渗透系数情况如表1所示，其中允许坡降为120。

表1 大坝及坝基各区材料渗透系数

3 渗流计算分析

为验证模型合理性，对原设计方案进行渗流计算分析，计算结果如图3所示。结果表明：原设计方案下防渗墙整体防渗效果良好，总水头折减系数达92.8%；副防渗墙消减水头75.8 m，占总水头的42.1%，主防渗墙消减水头91.3 m，占总水头的50.7%，主副防渗墙的最大水力坡降分别为92.9和75.6，均小于允许坡降120。整体设计合理、安全，与工程实际情况相符。

图3 设计工况下有限元计算结果Fig.3 FEM results under design condition

3.1 防渗墙渗透系数对比分析

在原设计方案的基础上，设置主、副防渗墙不同渗透系数组合方案共6组。不同防渗系数组合方案计算结果如表2、图4～6所示。

表2 主、副墙不同渗透系数组合方案计算结果

图4 水头损失随主墙渗透系数的变化Fig.4 Water head loss changing with the permeability coefficient of the main wall

图5 水头损失随副墙渗透系数的变化Fig.5 Water head loss changing with the permeability coefficient of the auxiliary wall

图6 坝基渗流分布随主副墙渗透系数比变化Fig.6 Foundation seepage changing with the permeability coefficients ratio

当上游副墙渗透系数保持不变，改变下游主墙的渗透系数时，总水头折减基本相当，但主、副墙的水头折减变化较大。降低下游主墙的渗透系数至10-8cm/s对总水头折减以及主、副墙水头折减无明显影响。随主墙渗透系数增大，主墙的水头折减减小，副墙的水头折减增大，当主墙渗透系数增大至10-6，10-5cm/s时，主墙水头折减从原设计的91.3 m分别降至65.8，17.3 m，折减率从原设计的50.7%分别降至36.5%，9.6%；副墙水头折减从75.7 m增加到101.3，149.7 m，折减率从原设计的42.1%分别升至56.3%，83.1%。同时，随主墙渗透系数不断增大，副墙的最大水力坡降不断增大，当主墙渗透系数增大至10-5cm/s时，副防渗墙最大水力梯度为151.4，远大于允许水力坡降120，存在安全风险。

当下游主墙的渗透系数保持不变，改变上游副墙的渗透系数时，总水头折减基本相当，但主、副墙的水头折减变化较大。降低上游副墙的渗透系数至10-8cm/s对总水头折减及主、副墙水头折减无明显影响。随副墙渗透系数增大，副墙的水头折减逐步减小，主墙水头折减逐步增大，当副墙渗透系数增大至10-6，10-5cm/s时，主墙水头折减从原设计的91.3 m分别增至113.0，152.7 m，折减率从原设计的50.7%分别升至62.8%，84.8%；副墙水头折减从75.8 m降到54.0，14.1 m，折减率从原设计的42.1%分别降至30.0%，7.8%。同时，随副墙渗透系数不断增大，主墙的最大水力坡降不断增大，当主墙渗透系数增大至10-5cm/s时，副防渗墙最大水力梯度为152.3，远大于允许水力坡降120，存在安全风险。

当主、副防渗墙的渗透系数达到10-7cm/s的量级后，再降低渗透系数对主、副防渗墙折减水头均无明显影响，说明坝基渗流分布对其在这个范围内变化不敏感。当防渗墙的渗透系数在大于10-7cm/s的范围内变动时，主、副墙渗透系数比值越大，主墙折减系数越小，副墙折减系数越大，相应地，墙间水位越高，副墙水力梯度越大。

3.2 防渗墙下接帷幕深度对比分析

在原设计的基础上，设置主、副防渗墙不同帷幕深度组合方案共10组。不同帷幕深度组合方案计算结果如表3、图7～9所示。

表3 主、副墙不同墙底帷幕深度组合方案计算结果

图7 水头损失随主墙下接帷幕深度的变化Fig.7 Water head loss changing with the curtain depth of the main wall

图8 水头损失随副墙下接帷幕深度的变化Fig.8 Water head loss changing with the curtain depth of the auxiliary wall

图9 坝基渗流分布随主副墙下接帷幕深度比的变化Fig.9 Foundation seepage changing with the curtain-into rock depths ratio

当上游副墙下帷幕深度保持不变，改变下游主墙下帷幕深度时，总水头折减基本相当，主、副墙的水头折减变化较大。当副墙下帷幕深度不变，主墙下帷幕深度在30～50 m范围变化时对主、副墙水头折减的影响均较小；但当主墙下帷幕深度进一步减小至10，0 m时，主墙水头折减从原设计的91.3 m分别降至70.3，44.7 m，折减率从原设计的50.7%分别降至39.1%，24.8%；副墙水头折减从75.8 m增加到96.6，122.1 m，折减率从原设计的42.1%分别升至53.7%，67.8%。同时，随主墙下帷幕深度的减小，副墙的最大水力坡降不断增大，当主墙下帷幕深度减小至0 m时，副墙的最大水力梯度达到121.8，略大于允许水力坡降120，存在一定安全风险。

当下游主墙下帷幕深度保持不变，改变上游副墙下帷幕深度时，总水头折减基本相当，主、副墙的水头折减变化较大。当主墙底帷幕深度不变，若增大副墙底帷幕深度至10～30 m，主墙水头折减从原设计的91.3 m减小到72.4 m，折减率从原设计的50.7%降至40.2%，副墙水头折减从原设计的75.8 m增加到94.8 m，折减率从原设计的42.1%升至52.7%；主、副墙的最大水力梯度分别为71.9和96.6。当副墙底帷幕深度大于30 m之后，继续增大副墙下帷幕深度，主、副墙的水头折减不再有明显变化。若取消上游副墙底帷幕，主墙水头折减从原设计的91.3 m增加到114.1 m，折减率从原设计的50.7%增加至63.4%，副墙水头折减从75.8 m减至53.0 m，折减率从原设计的42.1%降至29.4%；且主墙的最大水力梯度增加至114.1，仍小于允许水力坡降120。

当主、副防渗墙底帷幕深度在0～30 m的范围内变动时，随着主、副防渗墙底帷幕深度比值增大，主防渗墙折减水头和水力梯度增大，副防渗墙折减水头和水力梯度减小，墙间水头压力升高。当帷幕深度大于30 m时，进一步增加帷幕的深度，主、副防渗墙折减水头均无明显变化。经分析，主防渗墙底距离新鲜基岩的深度为23.2 m，副防渗墙底距离新鲜基岩的深度为27.6 m，因此当帷幕深入基岩一定程度后，继续加大帷幕深度无法提升坝基的防渗效果。总之，在防渗墙底帷幕未深入基岩的情况下，主、副防渗墙底帷幕深度的相对值对坝基渗流有较大影响。

4 结 论

本文基于瀑布沟高土石坝工程对深厚覆盖层土石坝坝基双防渗墙的渗透系数及墙下帷幕深度进行计算分析，通过二维模型多种方案对比得出以下结论。

(1)当防渗墙渗透系数小于10-7cm/s时，主、副防渗墙的渗透系数变化对坝基渗流分布的影响不大。当防渗墙的渗透系数大于10-7cm/s时，主、副防渗墙渗透系数相对值对坝基渗流分布有较大影响，主、副防渗墙渗透系数比值越大，副防渗墙的水头折减和所承受水力梯度越大，墙间水位越低；反之，主防渗墙的水头折减和所承受水力梯度越大，墙间水位越高。

(2)当防渗墙底帷幕深度未深入新鲜基岩时，主、副防渗墙的帷幕深度的相对值对坝基渗流分布有较大影响，主、副防渗墙底帷幕深度比值越大，主墙水头折减和所承受水力梯度越大，墙间水位越大；反之，副墙水头折减和所承受水力梯度越大，墙间水位越低。当帷幕深入新鲜基岩之后，继续增大帷幕深度，对坝基渗流分布影响不大。

(3)研究成果为后续坝基防渗墙及其他深厚覆盖层防渗体系结构的布置设计提供了参考，但本文仅对双防渗墙的渗透系数和帷幕深度进行了分析，墙底帷幕厚度、与大坝防渗体连接型式等对防渗效果的影响有待进一步研究。