深厚覆盖层上土工膜防渗堆石坝渗流场影响因素分析_岑威钧.pdf

收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金项目（，）；国家自然科学基金联合基金项目（）；江苏省研究生实践创新计划项目（）作者简介：岑威钧（），男，浙江慈溪人，教授，博士，主要从事水工渗流分析与控制及土石坝抗震方面的研究。：，（）：，深厚覆盖层上土工膜防渗堆石坝渗流场影响因素分析岑威钧，赵昱豪，李邓军，刘力增（河海大学 水利水电学院，南京）摘 要：随着筑坝技术的发展，深厚覆盖层逐渐成为土石坝常选坝基方案，其中坝基渗流控制是需要解决的关键问题之一。采用有限元法，对深厚覆盖层上土工膜防渗堆石坝渗流场进行计算分析，重点研究悬挂式防渗墙深度、覆盖层深度和渗透性对坝基渗流特性的影响。结果表明：防渗墙深度、覆盖层深度和渗透性均显著影响坝基渗流特性；防渗墙深度变化或覆盖层深度变化下，大坝渗流量和相对防渗深度关系曲线基本重合，均呈现先线性缓慢减小后急剧下降的特点，防渗墙和覆盖层深度共同决定坝基渗控效果；采用悬挂式防渗设计时，为保证大坝渗流量控制率达到，相对防渗深度与覆盖层渗透系数之间呈强对数线性关系。研究成果可用于待建类似工程防渗墙深度的初拟或已建类似工程坝基覆盖层防渗效果的评价。关键词：土工膜防渗堆石坝；深厚覆盖层；渗流特性；相对防渗深度；渗流量控制率中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；研究背景随着我国水利水电工程建设的不断深入，地质条件较好的坝址大部分已完成规划和建设，今后拟建大坝将面临深厚覆盖层、高寒地区和高地震烈度等复杂筑坝条件，其中深厚覆盖层问题尤为常见。第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报 年 月 当覆盖层较为深厚时，通常需要采取相应的工程措施，使得所筑大坝具有良好的变形适应性，防渗安全性以及经济性。目前，我国已有多座土石坝建造在超过 甚至百余米的深厚覆盖层上，河床部分堆积物往往颗粒粗大、松散、透水性强，使得坝基防渗系统布设方式以及渗流控制成为深厚覆盖层上筑坝的关键问题之一。为此，不少学者对深厚覆盖层上土石坝渗流问题进行了系列研究。等认为向山体延伸防渗帷幕与堆石坝防渗体共同形成一套完整的防渗体系，可以显著改善坝体和坝基的渗流特性。徐毅等指出在无限深透水地基上筑坝时，防渗墙的位置越靠近上游，防渗效果越好。王正成等探讨了深厚覆盖层坝基中局部强透水层特性对渗流场的影响规律，发现当深厚覆盖层采用悬挂式防渗墙时，坝踵处渗透坡降和出逸坡降随着强透水层深度增大而减小。白勇和张文捷等认为防渗墙深度应根据覆盖层的渗透性确定，当覆盖层渗透性较大时，防渗墙需要达到相对不透水层才能有效减少渗流量。谢兴华等指出防渗墙的深度并非越深越好，当悬挂式防渗墙的深度达到覆盖层厚度的 时为最优防渗深度。毛海涛等借助无限深透水地基上土石坝模型，计算发现不论采用水平铺盖还是采用悬挂式垂直防渗墙，都不能完全控制渗流量，认为存在一个有效长（深）度。由于深厚覆盖层上土石坝渗流特性十分复杂，影响因素多，有些问题尚未认知透彻，还可在已有相关研究基础上从不同角度进行深入研究。本文以某深厚覆盖层上土工膜防渗堆石坝为背景，通过改变相关参数，对防渗墙深度、覆盖层深度及其渗透性对大坝渗流场影响进行了计算分析，获得了一般规律性成果，并建立了相对防渗深度与覆盖层渗透系数之间的函数关系式，供设计和渗流安全评价时参考。分析对象与基本方案计算模型依托某已建深厚覆盖层上土工膜防渗堆石坝，适当概化处理后作为典型案例，对其渗控方案分析具有一定代表性。大坝坝高，上下游坝坡比 ，坝顶高程 ，坝顶宽，上游正常蓄水位 （水深，记为），下游无水。坝面铺设 厚的复合土工膜作为防渗体，与坝基混凝土防渗墙形成封闭防渗体系。土工膜下设 厚垫层，垫层后为堆石区，坝基覆盖层表面设 厚反滤层。覆盖层深度为（），其下部为新鲜基岩，防渗墙深度为（）。本文重点分析坝基覆盖层渗控影响因素，对于坝面土工膜可能造成的缺陷渗漏不予考虑。图 为大坝渗流场有限元计算网格，其中节点数 个，单元数 个。有限元模型边界条件为：上游坝面和地基表面为已知水头边界，下游坝面和地基表面为可能逸出边界，其余为不透水边界。土工膜、垫层、堆石区、反滤层、防渗墙、覆盖层和基岩渗透系数分别为、。根据流量等效原则，有限元计算模型中将实际厚度 的土工膜等效为 厚的多孔介质防渗层。土工膜垫层反滤层防渗墙堆石区覆盖层基岩水平距离/m0 8 0 1 6 0 2 4 0 3 2 0 4 0 0 4 8 0 5 6 0 6 4 02 9 5 02 9 1 02 8 7 02 8 3 02 7 9 02 7 5 0高程/m图 有限元模型 根据饱和渗流场基本理论和上述基本条件，采用固定网格结点虚流量法，求解得到大坝及坝基各节点的水头值，并绘制等水头线分布见图。/2 8 9 52 9 0 02 9 0 51 9 1 52 9 1 02 9 2 02 9 2 52 9 3 02 9 3 52 9 4 0单位:m图 基本模型等水头线分布 由图 可见，大坝等水头线形态、走向和密集程度均合理反映相应区域材料渗透性和边界条件，符合覆盖层上土工膜防渗堆石坝渗流场的一般分布规律。在坝面土工膜和坝基防渗墙的联合防渗作用下，削减水头明显，膜后浸润线高程为 （水位降落达），坝体浸润线低，渗流场等水头线分布主要集中于坝基。大坝总渗流量为（），其中流经坝体、防渗墙、防渗墙下部和基岩的渗流量分别为、（），分别占总流量比例为、和，可见绝大部分渗流量为防渗墙下部的绕渗，而防渗墙相对深度和覆盖层渗透性是绕渗量 长江科学院院报 年 的主要决定因素，下文进行重点研究。顺带指出，坝面土工膜的完整性是坝体防渗的关键，笔者已开展较多坝面土工膜缺陷渗漏及其影响的研究，限于篇幅，本文不再涉及。大坝渗流特性影响因素分析 防渗墙深度的影响在深厚覆盖层上新建土石坝时，防渗墙深度的选择是大坝防渗设计的核心内容之一。一般根据地质勘探资料，获得覆盖层深度，通过计算不同深度防渗墙的防渗效果，比选出最优防渗墙深度。为此，将计算模型中的覆盖层深度固定为，防渗墙深度分别假设取、和，其中前 种方案为悬挂式防渗墙，第 种为截断式防渗墙。通过计算，可以分析防渗墙深度对大坝渗流场的影响。图 为不同防渗墙深度下大坝渗流量、膜后浸润线高度和逸出坡降变化曲线，其中膜后浸润线高度为上游地表（）之上的高度。由于各计算方案（包括后续计算方案）下大坝等水头线分布规律与基本方案（图）整体相似，限于篇幅不再一一给出。01 0 02 0 03 0 04 0 00.51.01.52.0大坝总渗流量防渗墙端部渗流量 012345600.10.20.30.4逸出坡降 渗流量/(1 0-6 m3s-1)防渗墙深度/H0.51.01.52.00.51.01.52.0膜后浸润线高度/m(a)(b)(c)防渗墙深度/H防渗墙深度/H图 不同防渗墙深度对渗流场的影响 由图 可见，覆盖层深度为时，大坝总渗流量随防渗墙深度增加而减少，由悬挂式防墙（墙深）的（）减少至截断式防渗墙（墙深）的（），且大坝渗流量变化几乎等于防渗墙下部绕渗量的减少，大坝渗流量由（）减少至，渗流量变化幅度较大。膜后浸润线高度和逸出坡降与防渗墙深度呈现相同的变化规律，均随防渗墙深度增加而减少，其中膜后浸润线高度由 降低至，逸出坡降由下降至。可见，防渗墙深度的增加起到了延长地基内渗径的作用，防渗墙下部绕渗水流减少，表明相应的防渗性能增强。整体而言，当防渗墙相对深度超过后，大坝渗流量、膜后浸润线高度和逸出坡降均显著减小，极大提高了大坝（坝基）防渗安全性。覆盖层深度的影响对于已建坝工程，在后续大坝运行过程中，根据渗流场监测资料，往往会发现最初地勘提供的地基分层信息可能不准确，或存在较大误差，这时需要通过覆盖层深度的敏感性分析，来评价坝已建坝基防渗措施（此时防渗墙深度已固定）的有效性和合理性，这在已建工程中较为常见。为此，本节基于上述工程背景，扩大覆盖层深度分析范围，将防渗墙深度固定为，覆盖层深度分别假设为（截断式）、和，研究覆盖层深度对大坝渗流场的影响。图 为不同覆盖层深度下大坝渗流量、膜后浸润线高度和逸出坡降变化曲线。01 0 02 0 03 0 04 0 0大坝总渗流量防渗墙端部渗流量 0123400.10.20.3123456逸出坡降覆盖层深度/H123456覆盖层深度/H123456覆盖层深度/H渗流量/(1 0-6 m3s-1)膜后浸润线高度/m (a)(b)(c)图 不同覆盖层深度对渗流场的影响 由图 可见，固定防渗墙深度（）下，总渗流量随覆盖层深度增加而增加，由坝基截断式防渗墙（覆盖层深）的（）增加至悬挂式防渗墙（覆盖层深）的（），且渗流量增加几乎全来自防渗墙下部的绕渗，其值由 大幅增加至（），渗流量变化显著。同时，膜后浸润线高度和逸出坡降均呈现随覆盖层深度增加先快速增加后逐渐趋于稳定的特点，膜后浸润线高度由 增加至，逸出坡降由 第 期岑威钧 等 深厚覆盖层上土工膜防渗堆石坝渗流场影响因素分析增加至。当覆盖层达到一定深度后，坝基渗径长度、膜后浸润线高度和逸出坡降趋于稳定，这是由于上游水头通过坝面土工膜后已经削减得很小，而防渗墙下部的绕渗对坝体浸润线和下游坡逸出点的贡献非常有限。总体而言，覆盖层深度的增加对坝基渗流安全不利，但影响程度逐渐变小。覆盖层渗透性的影响将防渗墙和覆盖层深度分别固定为 和，覆盖层渗透系数分别假定为、，探究覆盖层渗透系数对大坝渗流场的影响。图 为不同覆盖层渗透系数下大坝渗流量、膜后浸润线高度和逸出坡降变化曲线。04 0 08 0 01 2 0 01 6 0 02 0 0 0 024681 01 200.10.20.30.40.511 01 0 0渗流量/(1 0-6 m3s-1)/m/(1 0-4 c m s-1)11 01 0 0/(1 0-4 c m s-1)11 01 0 0/(1 0-4 c m s-1)(a)(b)(c)图 覆盖层渗透系数对渗流场的影响 由图 可见，大坝总渗流量、膜后浸润线高度和逸出坡降均随覆盖层渗透系数增大明显增大。大坝总渗流量由覆盖层较低渗透性（）时的（）大幅增加至较高渗透性（）时的（）。绝大部分渗流量从防渗墙端部绕渗而来，且随着覆盖层渗透系数增大，其值由（）大幅增加至（），相应的占比由增加至。另外，膜后浸润线高度由 增加至，逸出坡降由增加至。由此可见，采用悬挂式防渗方案时，防渗墙下部覆盖层渗透性越大，其绕渗能力越强，因而显著抬升了大坝浸润线，并增大了逸出坡降，对大坝防渗安全性不利。渗流量控制讨论对于深厚覆盖层上土工膜防渗堆石坝而言，由于坝基面设置了反滤层，覆盖层表面一般不会出现渗透破坏问题，同时堆石坝体自然亦不会出现渗透破坏，此时渗流量是衡量工程安全的主要渗控指标，这里重点对大坝渗流量变化规律进行讨论。由图 和图 可知，防渗墙或者覆盖层深度变化，大坝总渗流量均发生大幅变化，绘制不同覆盖层渗透系数下大坝总渗流量和相对防渗深度（定义为防渗墙深度与覆盖层深度之比）关系图，见图（图中实线为防渗墙深度变化下的结果，虚线为覆盖层深度变化下的结果，分别对应图 和图）。由图可见，不同覆盖层渗透系数下，防渗墙深度变化和覆盖层深度变化时，两种大坝总渗流量和相对防渗深度关系曲线基本重合，且大坝总渗流量随相对防渗深度增加先线性缓慢减小，当相对防渗深度约为后急剧下降，表明悬挂式防渗布置条件下防渗墙和覆盖层深度共同决定了大坝渗控效果。定义渗流量控制率 为 。（）式中：、和 分别为悬挂式防渗墙、无防渗墙和截断式防渗墙所对应的大坝总渗流量。1 01 0 01 0 0 01 0 0 0 00.20.40.60.81.0相对防渗深度 渗流量/(1 0-6 m3s-1)11 0-211 0-311 0-431 0-331 0-4/(c m s-1)图 大坝总渗流量与相对防渗深度的关系 由于防渗墙深度变化和覆盖层深度变化下大坝总渗流量和相对防渗深度关系曲线基本重合，选取防渗墙深度变化下的结果绘制渗流量控制率和相对防渗深度关系图，见图。采用悬挂式防渗设计时，若覆盖层渗透性较高（），需要足够大的防渗深度才能达到理想渗流量控制效果。例如，覆盖层渗透系数取 时，相对防渗深度需要才能保证渗流量控制率；当覆盖层为较低渗透性（）时，相对较小的防渗深度便能达到理想渗流量控制效果，例如，覆盖层渗透系数取 时，相对防渗深度只需就能保证渗流量控制率。覆盖层特别深厚（一般为百米级及以上）的工程，防渗墙一般难以完全封闭覆盖层，通常采用悬挂式防渗墙，并力求其达到理想防渗效果。提取图 长江科学院院报 年 11 0-211 0-311 0-431 0-331 0-402 55 07 51 0 00.20.40.60.81.0/%/(c m s-1)图 渗流量控制率与相对防渗深度的关系 中不同覆盖层渗透性下渗流量控制率等于 的相对防渗深度，绘制相对防渗深度与覆盖层渗透系数的散点图，见图。在半对数坐标系（渗透系数变化范围很大，采用半对数表示）上对数据点进行拟合，可以得到 。（）式中：为相对防渗深度；为渗透系数。式（）的决定系数 达，表明在保证大坝渗流量控制率 的条件下，相对防渗深度与覆盖层渗透系数呈强对数线性相关。对于拟建深厚覆盖层上坝面土工膜或混凝土面板防渗的堆石坝工程，在对坝址地质条件进行初步勘测并获得覆盖层深度和渗透性后，利用式（）便可获得满足大坝渗流量 控制率时所需的坝基防渗墙悬挂深度，供（初步）设计时快速选择。此外，对于已建上游面防渗（如面板堆石坝，土工膜防渗堆石坝，斜墙防渗堆石坝等）的类似大坝工程，亦可通过防渗墙深度、覆盖层深度和渗透性，结合式（）初步判断大坝渗控效果。如果计算得到的数据点位于图 所示的曲线之下，表明该工程坝基渗流量控制率未达到，坝基渗控控制效果较差。0.20.40.60.81.011 01 0 0相对防渗深度 覆盖层渗透系数/(1 0-4 c m s-1)Hr =0.1 2 9 l n k+0.3 2 6R2 =0.9 9 7 计算值拟合线图 相对防渗深度与覆盖层渗透系数的关系 结 论本文对深厚覆盖层上土工膜防渗堆石坝渗流特性进行多方案计算分析，主要考虑了防渗墙深度、覆盖层深度和渗透性对大坝（重点是坝基）渗流特性的影响，得到如下结论：（）在深厚覆盖层上筑坝，防渗墙深度、覆盖层深度和覆盖层渗透性均是大坝渗流特性的显著影响因素，尤其对大坝渗流量影响较大。无论防渗墙深度还是覆盖层深度变化，大坝总渗流量随相对防渗深度增加而先线性缓慢减小后急剧下降；当防渗墙相对深度之后，大坝渗流量、膜后浸润线高度和逸出坡降均显著减小，极大提高了大坝防渗安全性。（）覆盖层高渗透性时，需要足够大的防渗墙深度才能达到理想渗流量控制效果，而低渗透性时可采用相对较小的防渗深度。当覆盖层渗透系数较大时（如），相对防渗深度需要才能保证渗流量控制率；当覆盖层渗透性较低时（如 ），相对较小的防渗深度便能达到理想渗流量控制效果；如覆盖层渗透系数低至 时，相对防渗深度只需要即能保证渗流量控制率。（）对于坝基悬挂式防渗设计，当坝基渗流量控制率达到 时，相对防渗深度与覆盖层渗透系数之间强对数线性相关，本文得到的拟合关系式可用于新建工程防渗墙深度的初拟或已建工程防渗效果的评价。参考文献：孔俐丽，刘小生，赵剑明，等 高土石坝建设的若干应用基础研究问题 中国水利水电科学研究院学报，（）：沈振中，邱莉婷，周华雷 深厚覆盖层上土石坝防渗技术研究进展 水利水电科技进展，（）：，：，：徐 毅，侍克斌，毛海涛 悬挂式微透水防渗墙的土石坝渗流计算 水资源与水工程学报，（）：王正成，毛海涛，申纪伟，等 深厚覆盖层中局部强透水层对渗流的影响研究 水资源与水工程学报，（）：白 勇 深厚覆盖层地基防渗排水设施对渗流场影响的数值分析 西安：西安理工大学，张文捷，魏迎奇，蔡红 深厚覆盖层垂直防渗措施效果分析 水利水电技术，（）：谢兴华，王国庆 深厚覆盖层坝基防渗墙深度研究 岩土力学，（）：（下转第 页）第 期岑威钧 等 深厚覆盖层上土工膜防渗堆石坝渗流场影响因素分析段。按照美国标准，单级法向应力固结时间为、分级法向应力固结时间为 ，对应的法向位移速率均 。（）当剪切速率由 增大至 时，会引起抗剪强度略有增大，但求得的黏聚力 和内摩擦角 均相差较小。参考文献：吴益平，卢里尔，薛阳 基于临界状态的边坡渐进破坏力学模型分析及应用 地质科技通报，（）：侯超群，石恭泽，孙志彬，等 基于滑移线理论的非饱和土条形地基承载力计算 长江科学院院报，（）：，曹海莹，刘杰锋，武崇福，等 非极限状态主动土压力与填土张拉裂缝研究 中国公路学报，（）：，陈志辉 土体原位测试技术新进展 中国水运（下半月），（）：相兴华 基坑开挖与降水对支护结构受力及地面变形影响的研究 太原：太原理工大学，沈珠江 原状取土还是原位测试：土质参数测试技术发展方向刍议 岩土工程学报，（）：，：，（）：，（）：，：，：，：，：，：，（）：，（）：，（）：化建新，郑建国 工程地质手册 版 北京：中国建筑工业出版社，：于永堂，张 龙，郑建国，等 重塑黄土的钻孔剪切变形与强度特性研究 岩石力学与工程学报，（增刊）：石 熊，张家生，刘 蓓，等 土混凝土接触面剪切破坏模式分析 铁道科学与工程学报，（）：于永堂，郑建国，刘争宏，等 钻孔剪切试验及其在黄土中的应用 岩土力学，（）：，（编辑：黄 玲）（上接第 页）毛海涛，张保平，何运祥，等 无限深透水地基土石坝坝基防渗体效果研究 人民黄河，（）：岑威钧，沈长松，童建文 深厚覆盖层上复合土工膜防渗堆石坝筑坝特性研究 岩土力学，（）：沈振中，岑威钧，徐力群 工程渗流分析与控制北京：科学出版社，岑威钧，王 辉，李邓军 土工膜缺陷对土石坝渗流特性及坝坡稳定的影响 武汉大学学报（工学版），（）：岑威钧，和浩楠，李邓军 土工膜缺陷对土石坝渗流特性的影响及控制措施 水利水电科技进展，（）：，岑威钧，都旭煌，耿利彦，等 随机多缺陷条件下土工膜防渗土石坝渗漏特性 水利水电科技进展，（）：，（）：（编辑：占学军）长江科学院院报 年