摘要: 本文中舉出吳家園水庫大壩作為實(shí)際例子, 通過滲流有限元的分析方法, 來對混凝土防滲墻的質(zhì)量缺陷以及其對大壩滲流控制的影響進(jìn)行分析。從分析的結(jié)果可以看出, 防滲墻正常那么防滲就能滿足工程安全要求; 但如果防滲墻出現(xiàn)缺陷, 那么壩體各部位的滲透坡降都會(huì)受到極大影響。其中防滲墻出現(xiàn)裂縫的位置這一因素比裂縫的寬度對滲流控制造成的影響更大, 而防滲墻懸掛比墻體滲透系數(shù)增大對滲流控制造成的影響更大。

　　關(guān)鍵詞: 防滲墻; 滲流; 土石壩

　　混凝土防滲墻防滲效果較為可靠, 目前在國內(nèi)水利工程中應(yīng)用比較廣泛, 國內(nèi)外學(xué)者對其各方面進(jìn)行了大量研究,主要為防滲墻的施工設(shè)計(jì)與應(yīng)用、防滲墻的滲透特性研究、低彈模混凝土防滲墻材料的研制等進(jìn)行了大量研究。但是, 由于施工質(zhì)量的原因, 混凝土防滲墻 有可能出現(xiàn)裂縫、墻體滲透系數(shù)超過設(shè)計(jì)指標(biāo)以及墻體懸掛等問題。關(guān)于這些不利情況對大壩滲流控制的影響的研究, 目前尚不多見。[1]

　　本文利用吳家園水庫大壩的水文地質(zhì)工程地質(zhì)參數(shù), 對采用混凝土防滲墻加固的大壩典型斷面進(jìn)行了滲流有限元計(jì)算, 模擬分析了當(dāng)防滲墻的裂縫在不同位置、不同裂縫開度時(shí), 或者當(dāng)墻體滲透系數(shù)增大、墻體懸掛時(shí), 大壩滲流狀態(tài)的變化情況。

　　1 工程概況

　　吳家園水庫位于浙江省蒼南縣藻溪鎮(zhèn), 是一座以防洪、供水為主, 兼顧灌溉、發(fā)電綜合利用的中型水庫。大壩為黏土心墻土石壩, 外部為砂礫壩殼, 上游設(shè)有黏土鋪蓋。壩頂高程為49. 60 m, 最大壩高 32. 49 m, 壩頂長 232. 6 m, 壩頂寬 6. 0 m。壩基從上到下依次為礫砂層( 最厚 34 m)、弱風(fēng)化流紋斑巖。工程始建于 1958 年底, 大壩運(yùn)行 40 多年, 大壩防滲體系存在的缺陷有: 基礎(chǔ)處理不徹底, 齒槽與壩基接觸面滲透穩(wěn)定性存在隱患; 壩體填筑質(zhì)量差, 心墻滲透系數(shù)偏大, 心墻后反濾層不合格, 壩體滲流量較大。2007 年安全鑒定為“三類壩”, 隨后進(jìn)行除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)。除險(xiǎn)加固后水庫死水位23. 37 m, 正常蓄水位為 44. 50 m, 設(shè)計(jì)洪水位 46. 611 m, 校核洪水位為48. 24 m, 總庫容為2 164 萬立方米。大壩防滲加固采用了低彈模混凝土防滲墻, 彈性模量 E28≤5000 M P a, 滲透允許比降≥50, 滲透系數(shù) K ≤1×10- 7cm/ s。防滲墻穿透心墻和壩基砂礫石層, 嵌入壩基弱風(fēng)化巖體內(nèi) 1. 0 m, 防滲墻最大墻深 67. 0 m, 墻體厚度 0. 80 m。[2]

　　2 有限元模型

　　2. 1 模型建立

　　大壩滲流計(jì)算采用的有限元程序是河海大學(xué)開發(fā)的水工結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)軟件 Autobank V7.0。大壩壩頂高程 49. 60 m, 上游水位 46. 61 m, 下游水位 18. 60 m, 防滲墻嵌入基巖 1. 0 m。模型上游取至距壩軸線 237 m, 下游取至距壩軸線 130 m 壩基取至弱風(fēng)化基巖面以下 30 m( 高程為- 50 m) 。有限元單元網(wǎng)格剖分采用三角單元, 鋪蓋、齒槽、防滲墻部位加密。厚度為0. 8 m的防滲墻分為4排單元。裂縫處加密。[3]

　　2. 2 完好防滲墻情況下的滲流狀態(tài)

　　經(jīng)計(jì)算, 完好防滲墻情況下, 等勢線集中于防滲墻內(nèi), 防滲墻內(nèi)的滲透坡降大。黏土鋪蓋與壩基接觸面的滲透坡降、齒槽與壩基接觸面滲透坡降分別為1.04、0.39, 小于允許接觸滲透坡降1. 25~ 2. 5; 混凝土防滲墻的滲透坡降為31. 4, 小于防滲墻的允許坡降50; 計(jì)算斷面單寬滲流量為 1. 24×10- 5m/ ( s·m) , 相比類似工程, 滲流量較小。加固后大壩滲流狀況安全。

　　3 防滲墻質(zhì)量缺陷對滲流的影響

　　3. 1 防滲墻出現(xiàn)裂縫的情況

　　當(dāng)防滲墻在高程 5. 465 m 處出現(xiàn)寬度 0. 1 m 的裂縫時(shí), 裂縫處于滲透系數(shù)相對較小的壩基下層砂礫石內(nèi), 滲流場發(fā)生變化。在裂縫出口處流線形狀急劇變化, 壩體內(nèi)的流線也發(fā)生明顯變化, 黏土鋪蓋與壩基接觸面的滲透坡降、齒槽與壩基接觸面滲透坡降有所增大,分別為 2. 05、0. 889, 與防滲墻完好情況相比, 分別增大97.1% 、127. 9% ;混凝土防滲墻的滲透坡降為 27. 8, 減小11. 5% ; 計(jì)算斷面單寬滲流量為 3. 95×10-5m/ ( s·m) , 增大 218. 5% , 滲流量顯著增大。

　　為了研究裂縫寬度的影響, 將裂縫寬度減小為 0. 01 m,進(jìn)行有限元計(jì)算, 黏土鋪蓋與壩基接觸面的滲透坡降、齒槽與壩基接觸面滲透坡降有所減小, 分別為1.62、0. 690,與裂縫寬度0. 1 m情況相比, 分別減小21.0% 、22. 4% ; 混凝土防滲墻的滲透坡降為 29. 0, 減小 4.3% ; 計(jì)算斷面單寬滲流量為 3. 64 ×10- 5m/ ( s·m) , 減小7. 8% 。

　　為了研究裂縫位置的影響, 假定防滲墻在高程 9. 09 m出現(xiàn)裂縫, 裂縫寬度 0. 1 m, 處于滲透系數(shù)相對較大的壩基上層砂礫石內(nèi), 對這種情況進(jìn)行計(jì)算, 黏土鋪蓋與壩基接觸面的滲透坡降、齒槽與壩基接觸面滲透坡降顯著增大, 分別為 7. 29、3. 82, 與裂縫出現(xiàn)在高程 5. 465 m 情況相比, 分別增大 255.6% 、329. 7% ; 混凝土防滲墻的滲透坡降為 17. 0, 減小 38. 8% ; 計(jì)算斷面單寬滲流量為 8. 58×10- 5m/ ( s·m) , 增大 117. 2% 。

　　為進(jìn)一步分析防滲墻開裂寬度對滲流的影響, 假定防滲墻出現(xiàn)嚴(yán)重質(zhì)量問題, 漏澆 2 m 的高度, 漏澆在高程 9. 09 m,黏土鋪蓋與壩基接觸面的滲透坡降、齒槽與壩基接觸面滲透坡降、混凝土防滲墻的滲透坡降分別為 7.60、4. 00、16. 7, 計(jì)算斷面單寬滲流量為 8. 96×10- 5m/ ( s·m) 。滲透坡降、滲流量與裂縫寬度 0. 1 m 相比, 變化均不大。

　　3. 2 防滲墻墻體滲透系數(shù)增大的情況

　　假定防滲墻滲透系數(shù)增大 10 倍, 透水性增強(qiáng), 防滲性能減弱。黏土鋪蓋與壩基接觸面的滲透坡降、齒槽與壩基接觸面滲透坡降明顯增大, 分別為 1. 73、0. 73, 與防滲墻完好情況相比, 分別增大 66. 3% 、87. 2% ; 混凝土防滲墻的滲透坡降為 28. 9, 減小 810% ; 計(jì)算斷面單寬滲流量為2. 30×10-5m/ ( s·m ) , 增大 85. 5% 。與防滲墻在 9. 09 高程出現(xiàn)裂縫相比, 防滲墻雖滲透性增大, 但與壩基砂礫石相比, 滲透系數(shù)小了很多, 隔斷了壩基透水性較強(qiáng)的砂礫石層。因而其影響比在透水性強(qiáng)的位置出現(xiàn)裂縫要小。[4]

　　3. 3 防滲墻懸掛的情況

　　除了以上情況, 再考慮防滲墻懸掛對滲流的影響。假定防滲墻只施工至高程 5. 465 m, 而不進(jìn)入弱風(fēng)化基巖。黏土鋪蓋與壩基接觸面的滲透坡降、齒槽與壩基接觸面滲透坡降顯著增大, 分別為5.22、2. 37, 與防滲墻完好情況相比, 分別增大401. 9% 、507.7% ; 混凝土防滲墻的滲透坡降為 18. 1, 減小 42. 4% ; 計(jì)算斷面單寬滲流量為 7. 32×10- 5m/ ( s·m) , 增大 490 3% 。

　　防滲墻下游側(cè)的砂礫石壩基內(nèi)的水頭明顯增大。上游鋪蓋和齒槽承擔(dān)的水頭損失增大。

　　4 結(jié)論

　　本文初步分析了混凝土防滲墻質(zhì)量缺陷對大壩滲流控制的影響, 得出以下主要結(jié)論。

　　防滲墻出現(xiàn)裂縫的位置越高, 離心墻底部越近, 土層的透水性越大, 出現(xiàn)裂縫對各部位的滲透坡降不利影響越大。因而保證防滲墻在透水性大的砂礫石層內(nèi)的施工質(zhì)量尤為重要。防滲墻裂縫出現(xiàn)的位置比裂縫寬度對滲流控制的影響更大。防滲墻的完整性比防滲墻滲透系數(shù)大小對滲流控制的影響要大。

　　本文的工作還需進(jìn)一步深入, 如對裂縫內(nèi)的滲透系數(shù)是初步假定的, 實(shí)際上, 土體發(fā)生滲透破壞過程中, 隨著土體顆粒的移動(dòng), 土體不同部位的滲透系數(shù)會(huì)不斷演化。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]王薇.土石壩安全風(fēng)險(xiǎn)分析方法研究[D].天津大學(xué)博士學(xué)位論文,2012.

　　[2]姜海波.土石壩壩體、壩基和水庫庫區(qū)土工膜防滲體力學(xué)特性及滲透系數(shù)研究[D].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文,2011.

　　[3]富海文,吳家園水庫攔河壩防滲墻施工技術(shù)[J].中國水利,2010,11(:5)51一63.

　　[4]王天星,混凝土防滲墻在土石壩防滲加固中的應(yīng)用研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2010.

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　　[4] 姜海波.土石壩壩體、壩基和水庫庫區(qū)土工膜防滲體力學(xué)特性及滲透系數(shù)研究[D].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文,2011.