某土石坝悬挂式混凝土防渗墙深度优选

段玲玲，邓华锋，支永艳，潘 登

（三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北宜昌443000）

深厚覆盖层是由洪积、坡积等冲积作用形成的第四纪松散堆积物，厚度数十米甚至百米以上，具有成因复杂、竖向和横向的岩土性质差别大、结构不连续等特点，在我国西南地区河谷中广泛分布[1]。近年来，在深厚覆盖层上建坝已经相当普遍，就渗流方面而言，深厚覆盖层结构比较松散，渗透系数比较大，成为整个大坝工程的主要渗流途径，若渗流控制不当，可能会影响坝基及坝体的安全[2-3]。常见的防渗处理方案有混凝土防渗墙、帷幕灌浆、高压旋喷防渗和混凝土沉井防渗等。

较多学者对土石坝覆盖层的防渗体系进行了模拟分析。在深厚覆盖层防渗处理中，很多情况下进行偏安全的设计，采用混凝土防渗墙全封闭方案，防渗效果好，渗漏量小，但深厚覆盖层中采用贯穿覆盖层的全封闭防渗体系时，墙体深度大，对应的工程量和造价高[4-7]。近年来，部分工程因覆盖层深度过大而尝试采用了悬挂式防渗墙的方案，并取得了较好的效果。有的学者对悬挂式混凝土防渗墙的防渗效果进行了探讨，江浩源等[8]、徐毅等[9]、蔡元奇等[10]、黄辰杰等[11]对深厚覆盖层的悬挂防渗墙进行了渗流分析，发现深悬挂式防渗墙可以达到较好的效果；毛海涛等[12-13]通过无限单元和有限单元结合法来模拟无限深透水地基，可知当悬挂式防渗墙深度达到某一临界值时，继续增加防渗墙深度无实际意义；王晓燕[14]、杨秀竹等[15]、卢亚霞[16]、陈社明等[17]、谢罗峰等[18]、王宝田等[19]、辛欣[20]分别采用有限元法、解析法分析了悬挂式防渗墙深度与渗流量大小的关系，认为当悬挂式防渗墙达到一定深度时，可达到预期的防渗目的。

这些研究为完善深厚覆盖层的防渗结构设计理论和方法提供了较好的参考，在深厚覆盖层的防渗体系中，防渗结构深度越大，工程量越大，工程费用也越高，直接影响到防渗效果和工程处理费用，因此防渗结构深度是工程设计中一个非常关键的指标，如何确定经济合理的防渗结构深度尤为重要。以往的研究重点关注了悬挂式防渗墙深度对坝址区渗漏量的影响规律，对相关多工况下坝体悬挂式混凝土防渗墙的作用效果分析还不够完善。基于此，笔者结合某工程实际，重点通过不同深度悬挂式混凝土防渗墙方案计算和对比分析，确定经济合理的防渗墙深度，并考虑不同工况对坝体和坝基的渗流特性进行校核分析，确保工程的防渗体系满足规范和工程安全的要求。

1 坝基防渗墙深度对比分析

1.1 坝基防渗方案

西藏某碾压式沥青混凝土心墙坝坝址区河谷呈U形纵向谷，山体坡面冲沟不发育，地形完整性相对较好，河床覆盖层厚15.5～59.3 m，组成物质为粗颗粒的砂砾石或漂石。坝体采用沥青混凝土心墙防渗，深厚覆盖层采用悬挂式混凝土防渗墙方案，防渗墙深度的合理确定是工程设计的重要内容。

该沥青混凝土心墙坝的坝顶高程4 250.00 m，防浪墙顶高程4 251.20 m，坝顶宽8.00 m，最大坝高59.02 m，坝顶长317.26 m。大坝上游立视图如图1所示，坝体最大剖面（K0+150断面）如图2所示。根据“不发生渗透破坏和满足水库兴利调节作用的发挥”原则，选择悬挂式混凝土防渗墙方案。结合坝址区覆盖层的分布情况，混凝土防渗墙深度考虑62、52、42、32、22、20 m等6种情况。计算分析中，对于覆盖层较浅处，防渗墙深度穿透覆盖层为止。

图1 大坝上游立视图（单位：m）

图2 大坝最大剖面K0+150（高程单位：m；尺寸单位：mm）

1.2 计算模型和计算参数

在防渗墙不同深度的对比分析中，为了获取比较准确的计算结果，选取了 K0+50、K0+100、K0+150（最大剖面）、K0+200、K0+250共5个断面，考虑正常蓄水工况，采用二维模型进行渗流计算分析。典型剖面K0+150计算模型如图3所示，模型上下游方向长度为610 m，底部延伸至高程4 215 m。采用GeoStudio软件的SEEP/W模块进行计算。

图3 K0+150断面计算模型

坝体、坝基和防渗墙的渗透系数取值见表1。

表1 坝体及坝基和防渗结构渗透系数

1.3 计算结果

不同深度防渗墙方案下，典型断面的渗流量和渗透比降计算结果见表2。各断面的单宽渗流量如图4所示，不同深度防渗墙情况下单宽渗流量和坝体坝基的年渗流量变化曲线见图5、图6。

表2 不同深度防渗墙渗流量统计

图4 不同断面的单宽渗流量

图5 不同防渗墙深度的断面单宽渗流量

综合表2、图4～图6可以看出：

（1）防渗墙深度从20 m增加至62 m时，各断面计算的单宽渗流量逐渐减小，其中，K0+50、K0+100、K0+150、K0+200断面的单宽渗流量变化趋势尤为明显，从10-4级别减小为10-6级别，K0+250断面的单宽渗流量基本保持不变。原因是河床覆盖层厚度分布不均匀，左边浅、右边深，在防渗墙未贯穿覆盖层之前，随着防渗墙深度的增加，断面单宽流量逐渐减小，当防渗墙贯穿覆盖层后，渗流量骤降，例如防渗墙深度为42 m时，桩号K0+150断面单宽渗流量骤降。

（2）防渗墙的深度从20 m增加到22 m时，坝体坝基年渗流量骤降，从23.32×105m3下降到14.09×105m3，随着防渗墙深度的增加，渗流量逐渐减小，防渗墙深度从22 m增加到52 m时，年渗流量从14.09×105m3呈线性下降到1.26×105m3；在防渗墙深度超过52 m以后，各断面防渗墙基本贯穿覆盖层，渗流量趋于稳定。

图6 不同防渗墙深度的年渗流量

（3）根据相关规范[22]，结合国内有关工程对坝基渗漏量的控制标准确定允许渗漏量，该水库坝址多年平均径流量为1.06×108m3，设计采用坝基渗漏量的控制标准为不大于多年平均径流量的2%。对比分析可以看出，在正常蓄水情况下，防渗墙深度为22 m时，年渗流量为14.09×105m3，占坝址区多年平均径流量的1.33%，而且出逸比降均小于坝体填筑料和覆盖层的允许渗透比降0.15，不会发生渗透破坏，因此初步确定防渗墙深度为22 m。

2 渗流计算分析

2.1 计算工况

前述分析表明，采用悬挂防渗墙方案，在防渗墙深度为22 m时，可以满足防渗要求。为了更全面地分析坝体和坝基防渗体系的作用效果，需要考虑多种工况确定坝体和坝基渗流量、渗透比降、坝体浸润线及其下游出逸点的位置等，判明坝体和坝基的渗透稳定性。为此，针对前述建立的 K0+50、K0+100、K0+150、K0+200、K0+250等5个断面的分析模型，考虑正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位3种工况进行渗流稳定分析。在渗流分析中，上下游边界条件均为定水头边界，上下游坝址区渗流分析计算工况及边界条件见表3。

表3 大坝渗流计算工况

2.2 混凝土防渗墙防渗效果分析

2.2.1 坝体浸润线分析

在大坝一、二、三工况下进行二维渗流分析，最大剖面K0+150坝体浸润线见图7。从图7可以看出：

（1）在一、二、三工况下，随着上、下游水位的上升，上游坝体内部浸润线均有上升，下游坝体内部浸润线受水位影响较小，且均位于下游排水层底部。

图7 大坝最大剖面浸润线示意

（2）随着上游水位从正常蓄水位上升至校核洪水位，下游出逸点高程从4 189.3 m上升至4 190.6 m，出逸点位于下游排水体中部；剖面K0+150的出逸点位于坝体下游坡面底部，其他剖面均没有出逸点。

2.2.2 水头等值线及孔隙水压力等值线分析

最大剖面K0+150水头等值线及孔隙水压力等值线如图8、图9所示。

图8 最大剖面水头等值线（单位：m）

由图8、图9分析可知：

（1）混凝土心墙附近水头分布较一致，水压从上游至下游几乎均匀减小，有较好的稳定性。上下游的水头差主要由沥青混凝土心墙和防渗墙为主的防渗体系共同承担，随着水位的升高，大坝上游的水头等值线增多且变化幅度较大，大坝上游的渗流量增大；而下游水头等值线无明显变化，说明防渗墙的防渗效果较好，无渗漏现象。

（2）坝体及坝基孔隙水压力分布规律相似，孔隙水压力逐渐向内部增大，当上游水位较高的时候，上游坝坡内部孔隙水压力较大，在沥青混凝土心墙和防渗墙为主的防渗体系处产生骤降，下游坝坡内部孔隙水压力较小。

图9 最大剖面孔隙水压力等值线（单位：m）

2.2.3 渗透比降分析

不同工况条件下，大坝各剖面的渗透比降计算结果见表4，最大剖面K0+150沿建基面处渗透比降变化曲线见图10。

图10 K0+150剖面沿建基面渗透比降变化曲线

表4 大坝各桩号剖面渗透比降计算结果

由表4和图10分析可知：

（1）在3种不同工况下，沥青混凝土心墙和混凝土防渗墙的渗透比降变化规律基本一致，在设计洪水位时，K0+250处心墙和防渗墙的渗透比降较大，最大达到了70，到校核洪水位时，渗透比降下降到22～35之间，心墙和防渗墙的渗透比降均小于80，有效防止了管涌和流土现象。心墙下游坝体溢出段的渗透比降满足小于0.15的渗透稳定要求，下游面出口渗透坡降很安全。砂砾层渗透比降小于允许值0.15，各断面的渗透比降均在允许渗透比降范围内，坝体、坝基渗流稳定，不会发生渗透破坏。

（2）在正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位工况下，沥青混凝土心墙处渗透比降骤升，而在其上游和下游处渗透比降很小，说明大坝防渗有较好的稳定性。

3 防渗墙深度的三维模型验证分析

由于该工程坝轴线方向的覆盖层深度变化较大，因此建立三维有限元模型，对上述确定的防渗墙深度进行校核分析。三维模型如图11所示，模型计算范围：上游侧边界距坝轴线200 m、下游侧边界距坝轴线300 m、距上下游坝坡均接近1.5倍坝高、左右岸距坝肩均1倍坝高。三维模型中防渗墙深度为22 m，模型规模为32 660个节点31 849个单元。

图11 大坝三维渗流计算模型

通过三维模型计算可知，采用22 m深的悬挂式防渗墙时，坝体、坝基以及绕坝的年渗流量为1.76×106m3，占坝址区多年平均径流量的1.66%，相比二维模型计算的年渗流量增大了0.35×106m3，但仍然可以满足设计要求的不大于坝址区多年平均径流量的2%，说明上述确定的22 m混凝土防渗墙是合理的。

4 结 语

（1）通过二维模型多种方案对比分析发现，当悬挂式防渗墙深度达到22 m时，大坝及坝基年渗流量为14.09×105m3，占坝址区多年平均径流量的1.33%；三维有限元模型校核计算得到的大坝及坝基年渗流量是1.76×106m3，占坝址区多年平均径流量的1.66%。说明采用22 m的混凝土防渗墙可以满足渗漏量不大于坝址区多年平均径流量2%的要求。

（2）大坝采用以沥青混凝土心墙和防渗墙为主的防渗体系，可有效降低坝体内部浸润线高度，浸润线在沥青混凝土心墙处骤降，最大坝高处浸润线降至排水层，下游出逸点位于下游排水体中下部。

（3）在正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位3种工况下，坝体及坝基孔隙水压力分布规律相似，上游坝坡内部孔隙水压力较大，在以沥青混凝土心墙和防渗墙为主的防渗体系处产生骤降，下游坝坡内部孔隙水压力较小。

（4）沥青混凝土心墙和混凝土防渗墙的渗透比降均小于允许值80，坝体填筑材料和天然砂砾石层的渗透比降小于允许值0.15，均满足渗透稳定要求。

（5）尽管本文通过渗流分析得到防渗墙深度为22 m时可满足坝体和坝基防渗要求，但是渗流量相对较大，沥青混凝土心墙和混凝土防渗墙的渗透比降也较大，接近临界值。因此，一定要严控施工质量，严格对坝体材料、防渗材料进行检验，加强施工期和运行期监测数据的分析。