深厚覆盖层地基下防渗墙深度对坝基渗流影响分析

李晓丹

(黑龙江省引嫩工程管理处，黑龙江 大庆 163000)



深厚覆盖层地基下防渗墙深度对坝基渗流影响分析

李晓丹

(黑龙江省引嫩工程管理处，黑龙江 大庆 163000)

文章结合新疆下坂地水利枢纽工程，采用三维有限元数值模拟分析方法，研究深厚覆盖层地基下防渗墙与防渗帷幕的相互作用对坝基渗流的影响，研究出深厚覆盖层坝基中防渗墙存在最适宜的深度，达到最佳防渗效果，同时本次的研究对此类工程在施工工艺和防渗设计上的具有一定的参考价值。

深厚覆盖层；防渗墙；坝基渗流；建模；影响

0　前　言

河床深厚覆盖层是指在河床中厚度>30m的松散堆积物，属于不良地质条件。地质特点：岩性单一，结构松散，在各个方向上都有很大变化，河床深厚覆盖层不仅严重影响工程坝址、坝型的选择，也严重制约了防渗措施设计。由于此地基的特殊构造，故防渗设计是非常紧要的问题。目前，国内外在此种地基上的防渗措施主要采用墙幕结合的防渗形式[1]。它不考虑深厚覆盖层地层在灌浆过程中防渗墙深度、岩基钻孔难度、中上部灌浆质量较差对工程防渗带来的影响。而是在透水层坝基中将墙幕结合起来，形成一种共同作用的防渗体系。从工程防渗效果和投资方面分析，此防渗体系的构建既安全可行又经济合理。

文章基于大型通用有限元软件ADINA，ADINA是基于有限元分析的大型通用仿真平台。在深厚覆盖层坝基上选取不同深度的防渗墙，进行渗流模拟试验分析，进而选择它的最优深度。其广泛运用到水利行业的坝工研究中。在ADINA软件的温度场计算模块中，定义有渗流材料的参数选择，可以准确的进行渗流场模拟计算，得出符合实际的各项参数。

1　工程概况

下坂地水利枢纽位于新疆喀什地区塔什库尔干县下坂地乡附近，为Ⅱ等大(2)型工程。主要功能是以存蓄水为主、发电为辅。工程各项指标：拦河坝最大坝高78 m，正常蓄水位高程2960 m，电站总装机容量150 MW，总库容8.6 亿 m3，年发电量4.7 亿 kW·h[2]。

下坂地的河床覆盖层主要是由坝址下游的古冰川的移动、“堰塞湖”的溃决等多种诱因形成的。自上而下可分为4大类型：坡积层、冲洪积层、砂层透镜体、冰碛层，渗透性高，最大厚度148 m，砂层厚度为28～30m，冲洪积层和坡积层属于强透水层[3]。根据坝基覆盖层的实际情况，结合此类工程实例防渗设计常采用的形式，拟定不同深度的垂直防渗进行渗流分析计算，在满足渗漏量及渗透稳定的前提下，通过对防渗效果、施工难度、工程造价等的综合比较，荐选出最优方案。大坝坝基剖面如图1所示。

图1　下坂地坝基覆盖层地质剖面图

2　有限元数值模型

2.1计算工况

2.1.1基本资料

1)水库正常蓄水位为2960m。

2)坝顶高程：2966m。

3)上游坝坡：1∶2.2。

4)下游坝坡：1∶2.0。

5)混凝土防渗墙厚度：1.0m。

6)防渗墙的初拟深度为：80m，85m，90m。

2.1.2计算假定

1)拟定大坝为均质坝，护坡对坝基的渗透性忽略不计，由坝体、反滤层、排水棱体、河床地基组成，坝基各种材料的渗透性质定义为各向同性，即kx=ky。

2)假设坝基岩不透水，河床断面沿坝体横轴线方向。假定计算结果中渗透量不包括绕坝渗透和坝基岩渗透。

3)由于坝体泄洪洞下游水位偏低，结合资料取下游水位2888m，坝体蓄水后水位会有上升。从防渗体系构建来看，即使地下水位不上升，坝基的水力坡降和渗透量都比水位上升后大，所以假定地下水位抬高后坝体是安全的[4]。

2.2模型建立

模型区域的建立：设计坝体横断面长540 m，坝高78 m，从坝体上游排水棱体向上延伸125m，坝体下游面坝脚处向下延伸125m，从坝基向坝基岩延伸160m。y 方向以坝体纵剖面与坝基交点为原点，以指向上游为正，指向下游为负；z方向以铅直向上为正，坝基上取正78m，坝基下同理，模型区域大小为540 m×238 m。本模型采用平面四边形单元进行网格划分，计算结果能与实际相符。渗流计算的单元网格划分为 272，节点数为7801个[5]。

选取中间垂直坝轴线方向的代表断面进行计算，计算网格如图2所示。

图2　断面计算网格图

2.3材料参数

计算区域内共有5种材料，在有限元分析模型中用不同的颜色表示。从上到下分别为坝体料(绿色)，下游排水体(大红色)、防渗墙(桃红色)、砂层(紫色)、冰磧层(蓝色)、基岩(橘黄色)。模型中各种材料的渗透系数值见表1。

表1　材料渗透系数表

2.4边界条件

渗流模拟区域的两端边界、坝基层定义为不透水层，坝体上、下游坝踵处和水接触区域定义为水头边界。由于水库建成蓄水后上游正常蓄水位2960.00 m，下游水位2888.00 m，所以坝体上游面与水接触区域节点水头定义为上游正常蓄水位H1=72 m，下游节点水头为下游水位定义为H2=0 m。

3　计算结果

由于敏感性参数的选择分析，计算假定只列出坝体下游面的坝基渗透量和水力坡降，其中下游面水力坡降值指坝体下游一定范围内的取值，此范围在渗流分析中存在关键部位，而这个关键部位一般会位于溢出点附近。

图3　防渗墙深度为80 m的总水头云图

图4　防渗墙深度为85 m的总水头云图

图5　防渗墙深度为90 m的总水头云图

图3～5中，总水头密集代表水力梯度大，材料渗透系数变化较大。从以上总水头云图中可以看出，在溢出点附近等值线分布过密，说明这个范围内水头变化很快，渗透力强。图中显示水力比降最大值分布在溢出点附近，此区域水力比降也很大[6]。

正常蓄水位工况，不同防渗墙深度下的渗流计算结果见表2。

表2　坝基不同深度防渗墙渗流计算结果

在防渗墙深度设定为80 m时，坝后的最大水力坡降值0.55×10-2，<该工程要求的坝后最大水力坡降值0.5×10-2和设计规范要求的土体渗透破坏容许坡降值0.1。

根据对下坂地水利枢纽的三维有限元计算分析得出，防渗墙深度设置为85 m时，总渗透量为22977.77 m3/d，同比减少了25.3%，坝基渗流量为22861.46 m3/d，同比减少了26.1%，坝后最大水力坡降为0.55×10-2同比降低了33.3%。以上数据可以得出：防渗墙深度的增加可以有效降低总渗流量、坝体与坝基渗流量和坝后最大水力坡降，有效的维系了坝体、坝基的渗透稳定性，稳固了此土石坝的防渗体系。从图3～4的结论可以得出：防渗墙深度设置在80～85 m之间时，坝体渗流量变化明显，坝基渗流量基本保持线性递减，总防渗量也明显减少，防渗效果明显提高；防渗墙深度设置超过85 m，总渗流量、坝体、坝基的渗流量变化明显趋于平缓，故在此基础上防渗墙深度的增加对坝基渗流量的效果越来越小，所以防渗墙深度设置为85m时为最适宜的数值，防渗效果能达到最优。

4　结论与展望

结合新疆下坂地水利枢纽工程，采用三维有限元数值分析计算，分析得出河床深厚覆盖层坝基防渗中防渗墙和防渗帷幕结合的体系建立，探索出防渗墙深度的变化对整体渗流的影响规律。防渗墙深度的增加可以提高坝体稳定性，有效降低坝后的渗流量和最大水力坡降值，但同时防渗墙深度超过一定数值后，总体渗流量的变化平缓，各项数据表明之后总体防渗效果不明显。因此，在今后防渗设计研究中，要考虑各方面的影响因素。如果覆盖层渗透系数较大，防渗墙深度不能深及基岩的不透水层，单纯对防渗墙深度的增加对防渗体系的构建包括坝基的防渗效果都是很有限的。故施工时需要将防渗墙打到不透水层，防渗效果才能达到最佳，进而得出满足工程安全性、经济性的防渗体系结构布置尺寸。

[1]牛运光. 土坝安全与加固[M]. 北京: 中国水利电力出版社, 1998：16-41.

[2]周春选, 王健, 杨智睿. 新疆下坂地水库坝基防渗处理设计[J]. 陕西水利水电技术, 2005(02): 22-27.

[3]王华俊. 锦屏二级水电站闸基深厚覆盖层渗流分析与控制研究[D]. 成都理工大学, 2005.

[4]白勇, 柴军瑞, 曹境英, 等. 深厚覆盖层地基渗流场数值分析[J]. 岩土力学, 2008,29(S1): 90-94.

[5]谢兴华, 王国庆. 深厚覆盖层坝基防渗墙深度研究[J]. 岩土力学, 2009,30(09): 2708-2712.

[6]罗渝, 何江达, 段斌,等. 深厚河床覆盖层闸坝防渗墙深度优化研究[J]. 吉林水利, 2006(01): 5-9.

1007-7596(2016)06-0033-03

2016-04-16

李晓丹(1980- )，女，黑龙江讷河人，工程师。

TV223.4

B