賈學(xué)萍

（嵐皋縣水利局 陜西 嵐皋 725400）

隨著我國水利水電事業(yè)的發(fā)展，越來越多的大壩修建在深厚覆蓋層地基上，特別是我國西南地區(qū)。深厚覆蓋層是指堆積于河谷底，厚度大于30 m的第四紀松散堆積物，其顆粒組成偏粗大且透水性強，是一種地質(zhì)條件差且復(fù)雜的地基[1]。對于建于深厚覆蓋層上的大壩，壩基的滲流控制是最關(guān)鍵的技術(shù)問題，其直接關(guān)系到大壩的穩(wěn)定及效益[2-4]。覆蓋層上面板堆石壩的防滲系統(tǒng)主要有防滲墻、趾板、面板以及防浪墻組成，其中防滲墻是覆蓋層地基的主要防滲措施[5]。由于覆蓋層過于深厚，地基中越來越多采用懸掛式防滲墻[6]。本文從防滲墻滲流控制效果的角度，分析地基中防滲墻的合理深度。

1 工程概況

某面板堆石壩最大壩高111 m，壩頂寬10 m，長348.20 m，包含三臺機組，總裝機容量240MW。壩地處高山峽谷地區(qū)，河谷呈“V”型，山勢陡峻。河床覆蓋層厚度44 m～50 m。覆蓋層從底部到頂部主要可以劃分為以下幾部分：表部水庫淤積層厚約2 m～4 m；上部含碎石塊石砂卵礫石層厚6 m～20 m；中部砂卵礫石層厚12 m～15 m，是河床覆蓋層的主體層；底部含塊碎石的砂卵礫石層厚5 m～10 m。覆蓋層地基中采用一道厚1 m的防滲墻進行防滲。

2 滲流場有限元模型

2.1 有限元模型

滲流計算模型考慮基巖、兩岸山巖以及壩體和防滲墻，同時對覆蓋層進行分層，以體現(xiàn)覆蓋層的一般性。對模型進行正常蓄水位條件下的穩(wěn)態(tài)滲流計算。河床覆蓋層總共取50m（由上到下三層分別取為20 m、15 m、15 m），使用八節(jié)點六面體等參單元對幾何模型進行網(wǎng)格剖分，共剖分單元總數(shù)67185，節(jié)點總數(shù)73184，網(wǎng)格剖分圖如圖1所示。模型壩基底面、上下游側(cè)面及左右岸側(cè)面按不透水邊界考慮。

圖1 計算模型

2.2 計算參數(shù)和方案

根據(jù)工程實際的試驗結(jié)果以及類比其它工程資料，滲流穩(wěn)定計算模型各分區(qū)材料滲透系數(shù)取值見表1。為全面從滲流控制效果的角度探討防滲墻的合理貫入深度。各覆蓋層取三組不同滲透系數(shù)，其中一、二組各層滲透系數(shù)分別取為：第一組5.5×10-4m/s、5.0×10-4m/s、4.6×10-4m/s，第二組6.0×10-4m/s、5.5×10-4m/s、5.0×10-4m/s，第三組覆蓋層取相同的值且為較小值，取為5.0×10-6m/s，分別計算三組系數(shù)下防滲墻深度從0 m增加到50m各種工況下的各水力要素。

3 結(jié)果分析

圖2為覆蓋層取第一組滲透系數(shù)時，無防滲墻及防滲墻深為50m時，模型X=260 m剖面處的水頭等值線。圖3為通過壩基的滲流量大壩特征部位水力坡降與防滲墻深度之間的關(guān)系曲線。圖中第一組系數(shù)、第二組系數(shù)、第三組系數(shù)分別指覆蓋層取對應(yīng)的三組不同的滲透系數(shù)。

由圖2可以看出，由于防滲墻的相對不透水性，防滲墻附近水頭差最大，水頭等值線最密，離開防滲墻后水頭等值線逐漸變疏。防滲墻消殺水頭作用明顯，當防滲墻截斷覆蓋層到達基巖時，總水頭基本被防滲墻消殺。同時，防滲墻越深水頭等值線越向防滲墻靠攏，底端水頭線越密集，因此防滲墻底部覆蓋層水力坡降將會較大，此部位容易發(fā)生滲透破壞，特別是采用懸掛式防滲墻時，由于此部位具有一定的殘渣段，允許滲透坡降較小，安全儲備較低，應(yīng)特別注意對其進行防護。由圖還可以看出采用防滲墻后，壩體浸潤線明顯降低，說明防滲墻對降低壩體浸潤線有一定作用，有利壩坡穩(wěn)定。其它兩組覆蓋層滲透系數(shù)下，上述計算結(jié)果均得到相同規(guī)律。

由圖3可以看出，防滲墻未達相對不透水層之前，通過壩基的滲流量隨防滲墻深度的增加而相應(yīng)的減少，但減少幅度有限。覆蓋層滲透系數(shù)較大時，防滲墻平均每增加5 m，滲流量減少0.225m3/s左右，而當防滲墻達到相對不透水層后滲流量驟減為0.00408m3/s左右，相對無防滲墻減少量達99.81%。對比一、二組不同覆蓋層滲透系數(shù)的結(jié)果可知，覆蓋層滲透系數(shù)越大效果越明顯。第三組系數(shù)的壩基滲流量計算結(jié)果顯示，當無防滲墻時，壩基滲流量只有0.0406m3/s，總體已經(jīng)相對較小。這說明當覆蓋層滲透系數(shù)相對較小（k<1×10-5m/s）時，覆蓋層不再是大壩滲流的控制因素。分析表明，當覆蓋層的滲透系數(shù)較大時，防滲墻完全截斷覆蓋層能夠取得較好的控制滲流量的效果，而只要還有覆蓋層未被截斷，壩基將還會有較大的滲流量。因此，實際工程中，當覆蓋層滲透系數(shù)相對較大且對水量損失有較高要求時，不宜采用懸掛式垂直防滲措施。

表1 滲透穩(wěn)定計算各區(qū)材料滲透系數(shù)

圖2 X=260m橫剖面水頭等值線圖（單位：%）

圖3 大壩滲流量和特征部位水力坡降與防滲墻深度關(guān)系曲線

由圖3（b）可知，防滲墻底端的最大水力坡降呈現(xiàn)隨防滲墻深度先減少后增加的規(guī)律。當防滲墻深為35 m時坡降達最小值，此時防滲墻深度與覆蓋層厚度之比為0.7。產(chǎn)生上述規(guī)律的原因可能是防滲墻較淺時，覆蓋層滲流量減少，因此覆蓋層中流速也會相應(yīng)減少，隨著防滲墻的加深，滲流量減少的同時，覆蓋層總的滲流斷面也在減少，因此當防滲墻到達某一深度時，覆蓋層中的滲流速度不降反而有可能會增加。由前述分析可知，只要防滲墻未截斷覆蓋層，其控制滲流量及下游坡腳最大水力坡降的效果均不明顯。采用懸掛式防滲墻進行滲流控制時，考慮到實際工程中防滲墻底端有一部分殘渣，對于覆蓋層內(nèi)的細顆粒穩(wěn)定不利，不利于防滲墻的運行穩(wěn)定，因此防滲墻的滲流控制效果方面，可以從防滲墻底部滲透穩(wěn)定的角度來確定最優(yōu)的防滲墻深度?？梢缘贸?，采用懸掛式防滲墻進行滲流控制時，防滲墻并不是越深越好，其深度取其與覆蓋層厚度之比為0.7左右時較為合理。由圖還可看出，防滲墻內(nèi)的最大平均水力坡降均也隨防滲墻深度的增加而增大，當防滲墻到達相對不透水層時，防滲墻所承受的最大水力坡降達90%。因此，嚴格地把握防滲墻的設(shè)計、施工程序和質(zhì)量對于整體的防滲也是非常重要的。

4 結(jié)論

本文從滲流控制的角度探討防滲墻的合理深度，采用有限元法進行三維滲流分析，對比分析水頭等值線、滲流量以及水力坡降等要素，綜合分析結(jié)果認為，當覆蓋層地基滲透系數(shù)較大時，防滲墻截斷覆蓋層能取得較好的防滲效果，若覆蓋層無法被截斷而采用懸掛式防滲墻時，其存在一個最優(yōu)深度，從防滲墻滲流控制效果的角度分析，防滲墻貫入深度與覆蓋層厚度之比為0.7左右時較為合理。

[1]楊天俊.深厚覆蓋層巖組劃分及主要工程地質(zhì)問題[J].水力發(fā)電，1998，（6）：17-19.

[2]白勇，柴軍瑞，曹境英等.深厚覆蓋層地基滲流場數(shù)值分析[J].巖土力學(xué)，2008，（29）：90-94.

[3]張文捷，魏迎奇，蔡紅.深厚覆蓋層垂直防滲措施效果分析[J].水利水電技術(shù),2009,(7)∶90-93.

[4] YAN Jun. Numerical analysis of the anti-seepage measures for high earth rockfill dam on deep overburden [J]. Applied Mechanics and Matericals,2012,(170)∶1872-1877.

[5]毛昶熙.滲流計算分析與控制[M].北京：中國水利水電出版社，2003.

[6]侍克斌，袁瑩，曾祥惠.無限深透水地基上土石壩壩基垂直防滲研究[J].人民黃河，2010,(32)∶132-133.