深厚覆盖层上土石坝的渗流控制方案研究
2024-02-01
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第30卷第2期 2012年3月 干旱地区农业研究 dtural Research in the Arid Areas V01.30 No.2 Mar.2012 深厚覆盖层上土石坝的渗流控制方案研究 郭江涛 2,张爱军 (1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西杨凌712100;2.杨凌职业技术学院,陕西杨凌712100) 摘要:我国西部地区地质条件复杂,土石坝建设中经常会遇到深厚覆盖层地基。深厚覆盖层地基的存在,. 将导致水库渗漏,并可能危及大坝安全,其渗流控制问题显得尤为突出和紧迫。以西藏某水利枢纽工程为例,采_用 有限元分析的方法,对该工程“无防渗”、“上游黏土铺盖”、“下游褥垫排水”、“下游黏土压盖”及“坝基无防渗”、“悬 挂混凝土防渗墙”、“混凝土防渗墙下接帷幕灌浆”、“全防渗墙”等8种防渗方案从渗漏量、浸润线和渗透稳定性等 几个方面进行了二维及三维比较计算,得到了最优防渗方案的选取与坝基渗透系数之间的关系,验证了深厚覆盖 层坝基垂直防渗方案的明显效果,可供同类工程参考。 关键词:深厚覆盖层;土石坝;渗流控制;分析 中图分类号:¥273.1 文献标识码:A 文章编号:1000.760l(2012)02.0181.07 我国西部地区地质条件复杂,土石坝工程建设 中经常遭遇深厚覆盖层地基,其渗流控制成为这些 土石坝建设中需要解决的关键技术难题,直接关系 到工程的安全和投资_1 j。河谷深厚覆盖层一般指 用土石坝的型式,采用沥青混凝土心墙防渗。 该坝基覆盖层深厚,主要由漂石、卵石混合土, 冰水积卵石混合土组成。主要地层岩性为:(1)漂 石、卵石混合土,主要分布于河床、漫滩上部,厚度一 般为5~55 m。卵石含量约占40%,呈中密 密实 堆积于河谷之中,厚度大于30 m的第四纪松散沉积 物 I4 J,主要由漂卵砾石、块碎石、粉细砂等组成,颗 粒粒径大,级配分布极不均匀,具有较强的透水性, 状态;(2)卵石混合土,主要分布在左岸Ⅱ、Ⅲ级阶地 上,厚度为2~50 m。卵石含量约占30%~40%,呈 中密一密实状态。河床部位上部冲积漂石、卵石混 极易造成水库漏水和坝基发生渗透破坏。据国内外 大坝失事原因的调查统计,因渗流问题而失事的比 例高达30%~40% 一 。尽管国内外在深厚覆盖 合土层渗透系数3.5×10。。~3.5×10~em/s,属强 透水土层,渗透破坏形式为管涌型;(3)冰水积卵石 混合土,主要分布于河谷底部,厚度较大,平均厚度 一层基础上已建成多座土石坝工程,但系统介绍这类 工程渗流、防渗措施的专业文献并不多。另外,深厚 覆盖层本身地域性差异性极大,各坝址地质情况千 差万别,可以找寻的共同点不多,也没有一条较为适 用的普遍规律可言_7j,所以对于具体工程,深厚覆盖 般为50~80 m,在左岸三级阶地处最厚达115 m。 卵石含量约占40%,砾石与砂含量约占40%,泥含 量约占10%一20%,漂石最大可达1 000 mm。冰水 积卵石混合土层渗透系数5.0×10I- 1.0×10 em/s,属弱透水层,渗透破坏形式为管涌型;(4)坝基 基岩主要由花岗岩、闪长玢岩、熔结凝灰岩组成,基 岩岩质坚硬,抗风化能力强,河床基岩埋深25 m~ 层的基础处理、防渗技术是一个较为突出和值得研 究的问题l_8 J。本文以西藏某水利枢纽工程为例, 采用有限元分析方法,对不同防渗方案从渗漏量、浸 润线和渗透稳定性等几个方面进行了比较计算,验 证和优化了坝基防渗方案,可供同类工程参考。 150 m。河床部位岩体多为弱透水岩体,局部为中等 透水岩体,右岸坝肩0—10。0 m为中等透水岩体, 10.0 m以下为弱透水岩体。 1 工程概况 该水利枢纽工程是位于西藏拉萨河,是一座以 灌溉、发电为主,兼有下游防洪、改善生态环境和城 市供水的等综合利用的大型水利枢纽,水库总库容 为l2.26×108 m3,有效库容6.86×10 m3,水库校核 洪水位4 098.60 m,设计洪水位4 096.00 m。大坝选 收稿日期:2Oll—O7.o5 2坝体分区和计算系数 计算中假定各种材料均为各向同性材料,各区 的渗透系数数值见表1。计算中上游水位取为正常 蓄水位4 095.00 m,下游水位取为4 028.48 m。 作者简介:郭江涛(1981一),男,陕西韩城人,讲师,主要从事岩土工程、工程力学方面的教学及研究。 通讯作者:张爱军(1964一),男,山西阳高人,工学博士,教授,硕士生导师,主要从事非饱和特殊土理论、岩土工程数值模拟和土石坝 渗流控制技术方面的研究。 184 干旱地区农业研究 第30卷 过坝基的渗流量差别很大。坝基无防渗方案,在渗 一 一 流过程中,由于坝基深厚覆盖层渗透系数较大,比沥 青混凝土心墙渗透系数大5~6个数量级,所以从上 - 赫漂 、卵石混合_卜层 凇 雠 游到下游渗透水流主要集中在坝基部位,而且数值 很大,方案5计算渗流流量最大为37.69 m3/s,远远 超出设计标准。采取方案2~方案4的防渗方案, 通过坝基的渗流量差别不大,接近坝基无防渗方案, 在渗流过程中,由于坝基深厚覆盖层渗透系数较大, 该方案计算渗流流量为大在20.3O~25.05 m3/s,也 蝴 卵石混台上层 …~ ~一溯 ,i! :! 一一一一 一~ j——一~一 图10方案8(全防渗墙防渗)大坝最大横剖面等水头线图 Fig.10 Diagram of equipotential lines of dam’s maximum 远远超出设计标准;而方案6~方案8的3种垂直防 渗方案,与坝基无防渗方案相比,该类方案防渗效果 比较明显,通过坝基的渗流量大大降低,渗透流量在 0.129~1.291 m3/s。但是与设计标准相比,在方案 6(90 m悬挂防渗墙),砂砾石渗透系数取1.0×10 cm/s方案就满足要求。坝基混凝土防渗墙下接灌 浆帷幕方案,在渗流过程中,由于帷幕的渗透系数比 沥青心墙和混凝土防渗墙大3个数量级,所以渗流 量主要集中在帷幕部分。 cross-section in Scheme 8 I Impervious wal1) 5.2结果分析 5.2.1 渗流量分析 该水利枢纽工程坝址多年平 均流量为193 m3/s,设计采用坝基渗漏量的控制标 准为多年平均流量的1%,即1.93 m3/s。为了清楚 地表述各计算方案渗流量的变化情况,并与设计标 准比较,将其计算结果列表,见表3。 由表3可以看出,采取不同的坝基防渗方案,通 表3各方案渗流量计算结果 Table 3 Seepage discharge results of diferent options 也由此可见,这几种方案对于具有深厚覆盖层 的大坝,方案2~方案4的防渗效果均不如方案6~ 方案8垂直防渗效果显著。 5.2.2 浸润线分析 各方案下浸润线在心墙上下 游面和坝坡出逸点的高程见表4。 “上游10 m厚粘土铺盖”与方案1坝基无防渗方案 比较,坝体浸润线降低不明显,浸润线在坝体出逸位 置仍然较高,防渗效果不显著,见图4。采取方案3 “下游褥垫排水”防渗措施后,坝体浸润线降低明 显,见图5;方案4下游粘土压盖(60 m厚,45 m高) 与方案1坝基无防渗方案比较,原坝体内浸润线降 低亦不明显,该方案的特点是粘土压盖成为坝体的 一1)从各计算方案的最大横剖面流网图和等水 头线图看,各防渗方案主要有以下特点: 方案1“无防渗”为该坝仅设置混凝土防渗墙, 坝体浸润线在混凝土防渗墙中有一个比较大的降 落,随后缓慢的在坝下游坡面逸出,见图3;方案2 部分,浸润线可在粘土压盖体中继续下降,最终在 比较低的粘土压盖体中出逸,见图6。 第2期 郭江涛等:深厚覆盖层上土石坝的渗流控制方案研究 185 三维计算方案5与二维计算方案1比较相近, 列出了出逸部位比降。 坝体浸润线在混凝土防渗墙中有一个比较大的降 由表5和表6可见:坝基无防渗方案渗透破坏 落,随后缓慢的在坝下游坡面逸出,见图3和图7; 的关键部位是上游渗透人口、心墙内部、心墙与坝基 三维计算方案6、7、8所计算的浸润线在下游坝坡无 交汇处、下游出逸点等;上游渗透人口主要在坝踵前 渗透出逸现象,见图8、9、10。由图8~图1O计算的 的漂石、卵石混合土层中,计算最大渗透比降为 等势线可以看出,水头损失基本集中在防渗墙和帷 0.93,而允许比降为0.15,说明该处存在发生渗透破 幕中,说明在防渗墙质量有保证的情况下,防渗帷幕 坏的可能性,实际上是否发生管涌或流土决定于其 对于降低坝体渗透水头作用很大,是防渗的关键所 下游出口处的反滤保护情况;心墙内部最大渗透比 在。 降为43,无发生渗透破坏的可能性;下游坝面出逸 2)对比前几种方案的坝体浸润线,见图3~10, 部位最大渗透比降为0.48,超过了允许比降。从渗 方案2上游坡压盖10 m厚铺盖方案和方案4下游 透比降看,坝基采用防渗加固处理是必须的。 压盖粘土对浸润线的降低无明显的作用,而方案3 悬挂防渗墙方案渗透破坏的关键部位是上游渗 下游褥垫排水方案对浸润线的降低作用明显;方案 透入口、心墙内部、冰水积卵石混合土层、下游出逸 6、方案7、方案8三种垂直防渗方案计算浸润线在 点等。上游渗透入口主要在坝踵前漂石、卵石混合 下游坝坡无渗透出逸现象。 土层中,计算的最大渗透比降小于允许值0.15,说 5.2.3 渗透稳定性分析 在浸润面以下的坝体处 明该处没有发生渗透破坏的可能性;防渗墙内部最 于流场内,受到指向下游坝坡渗透力的作用,渗透力 大渗透比降在49 58之间,也没有发生渗透破坏的 影响到坝体的稳定状态【lo],控制渗透比降成为关 可能性;下游出逸部位最大渗透比降均在0.004~ 键。 0.07,满足要求。在冰水积卵石混合土层内防渗墙 不同防渗方案的渗透比降计算结果见表5和表 附近局部计算渗透比降不同方案其最大值在0.57 6。几种渗流控制方案计算的最大渗透比降结果以 ~0.78之间,超出该类土允许比降 ]=0.4要求, 及危险的部位与无防渗(仅有混凝土心墙)结果相 但是由于最大值发生在地层深处,而且在坝中间,随 近,渗透破坏的关键部位是上游渗透入口、心墙内 着向坝上游和下游不同位置渗透比降逐渐减小,在 部、心墙与坝基交汇处、下游出逸点等。二维方案仅 上层有保护的情况下,总体渗透稳定可以得到保证。 l86 干旱地区农业研究 第30卷 表5二维方案最大渗透比降计算结果 Table 5 Maximum seepage gradient results about 2D options 表6三维方案最大渗透比降计算结果 Table 6 Maximum seepage gradient resulis about 3D options 坝基混凝土防渗墙下接灌浆帷幕方案,渗透破 5.3推荐的防渗方案 坏的关键部位是上游入口、防渗墙内部、防渗帷幕内 在深厚覆盖层上建坝,相对于坝体渗流控制措 部、下游出逸部位等。上游渗透入口主要在坝踵前 施而言,基础的防渗处理更为复杂,技术难度也更 的漂石、卵石混合土层中,计算的最大渗透比降小于 大。从工程设计角度,坝基渗流控制的主要目的是 允许值0.15,防渗墙内部最大渗透比降在52.6~ 确保坝基稳定性和控制坝基的渗透流量。对于覆盖 53.6之间,满足要求;下游出逸部位渗透比降在 层地基而言,坝基的渗透稳定性对于大坝的安全更 0.002~0.005之间,也满足要求。为保证帷幕体本 为重要。通过对几种坝基防渗方案的计算分析认 身不发生机械管涌,并在抵抗渗透水的侵蚀方面有 为,当坝基的渗透系数>1.0 X 10 cm/s量级时,可 足够的能力和寿命,同时,还应保证在设置帷幕后, 采用坝基混凝土防渗墙下接灌浆帷幕方案,可选用 坝基覆盖层不会发生管涌破坏,这就要求帷幕的允 防渗墙为90 m左右下接帷幕方案;当坝基渗透系数 许渗透比降要控制在一定的范围内。本工程防渗帷 在<1.0 X 10。cm/s量级时,可采用悬挂防渗墙方 幕内部计算的最大渗透比降在7.0~7.5之间,超出 案,可选用90 m悬挂防渗墙,砂砾石渗透系数取1.0 规范允许值,但参照国内外实际工程和室内水泥灌 X 10一 cm/s方案。 浆试验,如我国的密云水库采用6.0,法国的克鲁斯 登坝采用8.3,印度的吉尔纳坝采用10.0;在室内试 6结 论 验中,只要水泥浆液配比合适,其28 d的破坏比降 可达到5O以上,取安全系数为5,则允许水力比降 1)从渗漏量计算结果来看,由于坝基深厚覆盖 可在10.0以上。一般随着深度的增加,帷幕体允许 层渗透系数较大,比沥青混凝土心墙渗透系数大5 水力坡降可适当提高。因此,本工程若采用该类方 6个数量级,所以从上游到下游渗透水流主要集 案时,应进行灌浆试验论证其安全性。 中在坝基部位,而且数值很大。故比较得出“悬挂防 渗墙方案”和“防渗墙下接帷幕方案”都是处理深厚 第2期 郭江涛等:深厚覆盖层上土石坝的渗流控制方案研究 187 覆盖层坝基的有效措施,哪一种方案较优要根据坝 该严格控制两者的施工质量,确保大坝安全。 基的渗透系数而定。 2)从浸润线计算结果来看,采取下游褥垫排水 参考文献: 防渗措施后,坝体浸润线降低明显;上游10 m厚粘 [1]罗守成.对深厚覆盖层地质问题的认识[J].水力发电,1995, 土铺盖对坝体浸润线降低不显著,浸润线在坝体出 (4):21.24. 溢位置仍然较高,对坝体安全威胁较大,因此该方案 [2] 闫晓兵.’土石坝渗流控制及其在不均匀沉降裂缝处理中的应用 的防渗效果较差;下游粘土压盖(60 m厚,45 m高) [J].山西水利,2006,(2):23.26. 方案对原坝体内浸润线降低亦不明显,该粘土压盖 [3] 白勇.深厚覆盖层地基渗流场数值分析[J].岩土力学,2008, (SI):33.37. 成为坝体的一部分,浸润线可在粘土压盖体中继续 [4]许强.对我国西南地区河谷深厚覆盖层成因机理的新认识 下降,最终在比较低的粘土压盖体中出逸。上者与 [J].地球科学进展,2008,(5):39.42. 垂直防渗方案比较,垂直防渗方案较优,故应以垂直 [5]汝乃华,牛运光.大坝事故与安全[M].北京:中国水利水电出 防渗方案为主。 版,2001:15.18. [6] 卢建华,程 井.土坝坝体滞水体探析[J].湖北水力发电, 3)从渗透比降计算结果来看,二维渗流计算方 2009,(4):33.37. 案的最大渗透比降结果与三维计算的无防渗(仅有 [7]杨海林.深厚覆盖层基础上堆石坝防渗系统优化研究[D].南 混凝土心墙)结果相近,渗透破坏的关键部位依旧是 京:河海大学,2007. 上游渗透人口、心墙内部、心墙与坝基交汇处、下游 [8]陈海军,任光明.河谷深厚覆盖层工程地质特性及评价方法 出逸点等,采用防渗加固处理是必须的,方案6、7、8 [J].地质灾害与环境保护,1996,7(4):53.58. 计算结果表明下游坡面无出逸,渗透比降控制明显。 [9]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,(9):39.44. 4)坝基防渗墙和帷幕的防渗性能是保证整个 [10]马池香,秦华礼.基于渗透稳定性分析的尾矿库坝体稳定性研 坝体渗透安全及控制总渗流量在设计允许范围的关 究[J].工业安全与环保,2008,(9):16.20. 键,为防止大坝渗透破坏,在设计满足的前提下,应 Research on seepage control schemes of earth-rock dam with deep overburden layer GU0 Jiang-tao 一,ZHANG Ai-jun (1.College of Water Resources and Arcthitectural Engineering,Northwest A&F University,Yangling,Shaanxi 712100,China; 2.Ya g Vocational and Technical College,Ya, ng,Shaanxi 712100,China) Abstract:As the geological conditions in west China are are complicated,deep overburden foundation often exists in the construction of earth-mck dams.Deep overburden foundation results in the leakage of reservoir and possibly endan— gers the safety of the dam,SO the seepage control problem is particularly prominent and urgent.A water conservancy pro— ject in Tibet was taken as an example and finite element analysis method was used to conduct two—dimensional and three・ dimensional calculation of infiltration line and seepage quantity and stability of 8 kinds of seepage contorl schemes of this project,such as“no impervious”,“upstream clay blanket”,“downstream mattress drainage”,“downstream clay gland”, “non・impervious dam foundation”,“hanging concrete anti-seepage wall”,“down with curtain grouting anti—seepage con— crete wall’’and“impervious wall”.The relationship between optimum anti-seepage scheme selection and seepage coeffi— cient was found out,and the effect of the scheme of deep overburden layer of vertical seepage control was veriifed,wich may be used as a reference for similar engineering. Keywords:deep overburden layer;earth—rock dam;seepage control;analysis