王正成, 毛海濤,2, 申紀(jì)偉, 黃海均
(1.重慶三峽學(xué)院 土木工程學(xué)院, 重慶 404100; 2.武漢大學(xué) 水利水電學(xué)院, 湖北 武漢 430072)
深厚覆蓋層地基廣泛分布于我國(guó)西南、西北地區(qū)[1],隨著水利水電工程的迅速發(fā)展,基巖出露或薄覆蓋層的地基越來越少,受到地基的約束,越來越多的水利工程不得不建立在深厚覆蓋層地基上[2]。研究表明,深厚覆蓋層地基中往往存在局部強(qiáng)透水層,強(qiáng)透水層具有孔隙大、透水性強(qiáng)等特性,其特性決定了強(qiáng)透水層是滲流的優(yōu)先和集中通道,是控滲工程的薄弱環(huán)節(jié)[3]。因此,為了保證工程的安全穩(wěn)定,制定合理可靠的滲控方案,局部強(qiáng)透水層對(duì)大壩滲流的影響規(guī)律亟待探明。
大量學(xué)者以局部強(qiáng)透水層為研究對(duì)象,開展了研究。謝輝[4]借助Seep3D針對(duì)底部為強(qiáng)透水的特殊基坑工程進(jìn)行了三維非穩(wěn)定滲流模擬,結(jié)果表明防排結(jié)合的方式能有效控制基坑內(nèi)的降水。常明云等[5]提出針對(duì)砂卵石地層復(fù)雜強(qiáng)透水地層進(jìn)行處理時(shí),應(yīng)針對(duì)強(qiáng)透水通道進(jìn)行回填充填灌漿堵漏處理。崔永高[6]研究表明含有強(qiáng)透水層的超大面積基坑在降水時(shí)存在著較強(qiáng)的群井效應(yīng)。劉曉慶等[7]針對(duì)強(qiáng)透水地基上土石壩進(jìn)行非飽滲流數(shù)值模擬,得出輻射井和集水廊道聯(lián)合作用能有效收集水庫滲水。李桂榮等[8]針對(duì)鄭州引黃灌溉調(diào)蓄池的強(qiáng)透水層進(jìn)行研究,提出了“塑性混凝土+水平壤土鋪蓋”聯(lián)合控滲方案。葉青[9]研究表明采用止水帷幕針對(duì)強(qiáng)透水基坑進(jìn)行控滲處理時(shí),隨著帷幕深度增大,控滲效果越佳。李來祥等[10]提出采用高噴帷幕截滲方案對(duì)高瞳泵站的強(qiáng)透水地基進(jìn)行控滲處理,效果顯著。曹洪等[11]以雙層強(qiáng)透水層堤基為研究對(duì)象,研究表明強(qiáng)透水層間的垂向滲流作用較弱,強(qiáng)透水層層內(nèi)流動(dòng)及越流補(bǔ)給作用顯著。綜上所述,已有研究成果主要集中在強(qiáng)透水基坑及地基存在的弊端及處理方式,或優(yōu)化滲流計(jì)算模型。但針對(duì)深厚覆蓋層中局部強(qiáng)透水層深度、厚度及連續(xù)性等特性對(duì)滲流場(chǎng)的影響尚缺乏系統(tǒng)的研究,需深入探討。
土-水特征曲線(SWCC)用于描述飽和-非飽和土中土體體積含水率與基質(zhì)吸力間的函數(shù)關(guān)系,本文采用Van Genuchten提出的數(shù)學(xué)模型[12]:
(1)
式中:Vws為標(biāo)準(zhǔn)化體積含水量;a為進(jìn)氣壓力值的倒數(shù);um為基質(zhì)吸力;n為與土體孔徑分布相關(guān)的參數(shù);m為SWCC曲線的整體對(duì)稱性參數(shù)。
孔隙水在表面張力作用下,在水、氣截面產(chǎn)生彎液面,水和氣承受的壓力存在差異,該差異值稱為基質(zhì)吸力,此力是非飽和土的一個(gè)重要指標(biāo),通過Laplace公式可求解得出[13]:
(2)
式中:ua為孔隙氣壓力,Pa;uw為孔隙水壓力,Pa;Ts為表面張力,N;r1和r2為彎液面短軸和長(zhǎng)軸半徑,m。
非飽和滲透特征曲線可采用Gardner[14]提出的非飽和滲透系數(shù)與基質(zhì)吸力關(guān)系式:
(3)
式中:k為表征土體的非飽和滲透系數(shù);ks為飽和滲透系數(shù);γw為水的容重,kg/m3。
土體孔隙率、飽和滲透系數(shù)和初始飽和滲透系數(shù)間的關(guān)系為:
(4)
式中:ks0為初始飽和滲透系數(shù);n為孔隙率;n0為初始孔隙率。
非飽和土滲流控制微分方程[15]為:
(5)
式中:kr(hc)為相對(duì)透水率,非飽和區(qū)0 壩體為黏土均質(zhì)土壩,壩高20 m,壩頂寬5 m,壩前和壩后水頭為16和0 m;上下游壩坡均為1∶2。深厚覆蓋層地基厚度為110 m,為典型的強(qiáng)弱互層地基,由砂土(強(qiáng)透水層)和黏土(弱透水層)構(gòu)成,壩體和壩基中的黏土為同一種材料;壩基的控滲方案為混凝土防滲墻,防滲墻嵌入壩體內(nèi)2 m,墻體厚1 m,深度S2為0~110 m(圖1)。 經(jīng)調(diào)查研究表明,由于受到地質(zhì)成巖作用、地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等因素的影響,深厚覆蓋層壩基中局部強(qiáng)透水層的埋深(深度)、厚度、連續(xù)性存在較大差異,且局部強(qiáng)透水層往往是滲流的集中通道,是控滲工程的重點(diǎn)處理對(duì)象,決定整個(gè)控滲工程的成敗的關(guān)鍵因素。 基于強(qiáng)透水層特性(深度、厚度和連續(xù)性)的差異,建立數(shù)值模型:(1)厚度:強(qiáng)透水層厚度d=1 m,深度S1=10~100 m,如圖1(a)所示;(2)深度:強(qiáng)透水層深度S1=55 m,厚度d=1~10 m,如圖1(b)所示;(3)連續(xù)性:強(qiáng)透水層深度S1和厚度d分別為55和1 m,其上游、下游和底端開口長(zhǎng)度分別用L1、L2和L3表征,在10~100 m間取值,如圖1(c)~1(e)所示。 將黏土、強(qiáng)透水層和防滲墻的基本物理參數(shù)列入表1。 表1 數(shù)值模型土體的基本物理指標(biāo) 非飽和砂土和黏土在滲流作用下,流體和固體發(fā)生耦合作用,體積含水率Vws和滲透系數(shù)k隨基質(zhì)吸力變化,變化曲線如圖2所示。 圖1 5種工況模型橫斷面圖 圖2 體積含水率和滲透系數(shù)隨基質(zhì)吸力的變化曲線 基于上述數(shù)值模型,分別計(jì)算出各工況下滲流量Q、壩踵處滲透坡降J1、出逸坡降J2,旨在分析強(qiáng)透水層深度S1、厚度d和連續(xù)性對(duì)大壩滲流的影響。 作滲流量Q隨強(qiáng)透水層深度S1的變化曲線,如圖3所示。 由圖3可得,(1)曲線1~2變化規(guī)律類似,滲流量Q隨強(qiáng)透水層深度S1的增大而減?。划?dāng)S1由10 m增大至100 m時(shí),曲線1、2對(duì)應(yīng)的滲流量Q分別降低20.06%、21.36%,且初始降低速度較快。(2)曲線3~11變化規(guī)律類似,存在明顯的分界線,當(dāng)S1≤S2時(shí)(分界線以下區(qū)域),滲流量隨S1增加而增大,增幅為8.61%~18.26%;當(dāng)S1≥S2時(shí)(分界線以上區(qū)域),滲流量隨S1的增大而降低,降幅為1.04%~14%。(3)當(dāng)S2=110 m時(shí),為全封閉式防滲墻,曲線近似水平;當(dāng)S1由10 m增加至100 m時(shí),滲流量?jī)H增大1.6%。 進(jìn)一步分析壩踵處滲透坡降J1的變化規(guī)律,其變化曲線如圖4所示。 對(duì)比圖3與4可得,滲流量和壩踵處滲透坡降的變化規(guī)律類似,皆存在明顯的分界線,但也存在些許差異。(1)當(dāng)S1≥S2時(shí)(分界線以上區(qū)域),壩踵處滲透坡降J1隨S1的增大而降低,降幅為7.92%~33.49%;(2)當(dāng)S1≤S2時(shí)(分界線以下區(qū)域),壩踵處滲透坡降J1先降低,隨后近似趨于穩(wěn)定,最后再增大;以曲線5(S2=40 m)為例進(jìn)行闡述說明,當(dāng)S1由10增大至20 m時(shí),壩踵處滲透坡降J1降低15.67%;S1由20增大至30 m時(shí),J1僅增大1.38%;S1由30增大至40 m時(shí),J1增大40.74%。 進(jìn)一步分析出逸坡降J2隨強(qiáng)透水層深度S1的變化規(guī)律,其變化曲線如圖5所示。 由圖5可得,各曲線的變化特征存在共性,總體呈下降趨勢(shì),且初始下降速度較快,隨后逐漸趨于穩(wěn)定;當(dāng)S1由10 m增加至100 m時(shí),出逸坡降J2降低6.17%~6.81%。但對(duì)比各曲線也存在一定差異:(1)當(dāng)防滲墻深度S2≤20 m和S2=110 m時(shí),出逸坡降呈下降趨勢(shì);(2)當(dāng)30≤S2≤100 m時(shí),出逸坡降J2曲線存在明顯的分界線,J2先降低后增大,隨后再降低,最后趨于穩(wěn)定;(3)當(dāng)S1=S2時(shí),出逸坡降J2增大,增幅為0.05%~0.48%。 基于各滲流參數(shù)隨強(qiáng)透水層深度S1的變化特性,進(jìn)一步分析滲流參數(shù)隨強(qiáng)透水層厚度d的變化規(guī)律。 當(dāng)強(qiáng)透水層深度S1=55 m時(shí),作滲流量Q隨強(qiáng)透水層厚度d的變化曲線如圖6所示。 圖3滲流量隨強(qiáng)透水層深度的變化曲線 圖4壩踵處滲透坡降隨強(qiáng)透水層深度的變化曲線 圖5出逸坡降隨強(qiáng)透水層深度的變化曲線 圖6滲流量隨強(qiáng)透水層厚度的變化曲線 由圖6可得:(1)當(dāng)防滲墻深度S2=0~50 m 進(jìn)一步分析壩踵處滲透坡降J1的變化特征,其變化曲線如圖7所示。 對(duì)比圖6與7可得,滲流量和壩踵處滲透坡降曲線的變化規(guī)律類似,當(dāng)防滲墻深度S2=0~50、70~100 m時(shí),強(qiáng)透水層厚度由1 m增加至10 m時(shí),壩踵處滲透坡降J1增大0.31%~11.67%;當(dāng)防滲墻深度S2=60 m時(shí),d由1 m增加至10 m時(shí),J1增大46.8%;當(dāng)防滲墻深度S2=110 m時(shí),d由1 m增加至10 m時(shí),J1降低0.82%。當(dāng)d由5 m增大至6 m時(shí),曲線7對(duì)應(yīng)的滲流量增大26.11%。 作出逸坡降J2的變化曲線如圖8所示。 對(duì)比圖6~8不難得出,3個(gè)滲流參數(shù)的變化規(guī)律類似,出逸坡降J2的特性參照J(rèn)1和Q的變化規(guī)律,不再贅述。但出逸坡降明顯大于壩踵處滲透坡降,J1=0.243~0.908,J2=20.837~21.521。 基于上述規(guī)律,進(jìn)一步分析強(qiáng)透水層的連續(xù)性對(duì)滲流場(chǎng)的影響,設(shè)定3種工況:強(qiáng)透水層上游開口、下游開口、底端開口。 4.3.1 強(qiáng)透水層開口在防滲墻上游 作滲流量Q隨強(qiáng)透水層上游開口長(zhǎng)度L1(下文簡(jiǎn)稱“上游開口長(zhǎng)度”)的變化曲線如圖9所示。 由圖9可得,各曲線變化規(guī)律類似,曲線平緩。當(dāng)S1=0~100 m,Q隨上游開口長(zhǎng)度L1的增加而增大,增幅為0.31%~2.36%。當(dāng)防滲墻深度S1=110 m時(shí),為全封閉式防滲墻,Q隨著L1的增大上下波動(dòng),但總體呈增大趨勢(shì),增幅為0.15%。 作壩踵出滲透坡降J1隨強(qiáng)透水層上游開口長(zhǎng)度L1的變化曲線,如圖10所示。 圖7壩踵處滲透坡降隨強(qiáng)透水層厚度的變化曲線 圖8出逸坡降隨強(qiáng)透水層厚度的變化曲線 圖9滲流量隨上游開口長(zhǎng)度的變化曲線 圖10壩踵處滲透坡降隨強(qiáng)透水層上游開口長(zhǎng)度的變化曲線 由圖10可得,各曲線變化規(guī)律類似,變化平緩,波動(dòng)較?。灰陨嫌伍_口長(zhǎng)度L1=50 m為對(duì)稱軸;(1)當(dāng)L1≤50 m時(shí),壩踵處滲透坡降J1隨左端開口長(zhǎng)度L1增大而增大,增幅為0%~4.51%;(2)當(dāng)上游開口長(zhǎng)度L1≥50 m時(shí),L1從50 m增大至100 m時(shí),壩踵處滲透坡降J1降低1.19%~2.31%。(3)當(dāng)防滲墻深度S2=110 m時(shí),為全封閉式防滲墻,對(duì)應(yīng)的J1較小(0.247~0.25)。 當(dāng)強(qiáng)透水層厚度d=1 m,深度S1=55 m時(shí),作出逸坡降J2的變化曲線如圖11所示。 由圖11可看出,J2與Q的變化規(guī)律類似。出逸坡降J2隨強(qiáng)透水層上游開口長(zhǎng)度L1的增大而增加,增幅為0.005%~0.2%;且防滲墻深度S2=110 m對(duì)應(yīng)的出逸坡降曲線近似水平,變化幅度最小。 4.3.2 強(qiáng)透水層開口在防滲墻下游 進(jìn)一步分析滲流量Q和滲透坡降隨強(qiáng)透水層下游開口長(zhǎng)度L2(下文簡(jiǎn)稱“下游開口長(zhǎng)度”)的變化規(guī)律,滲流量曲線如圖12所示。 由圖12可得,各曲線變化規(guī)律類似,都以強(qiáng)透水層下游開口長(zhǎng)度L2=40 m為對(duì)稱軸,呈先增大后降低的趨勢(shì);當(dāng)下游開口長(zhǎng)度L2由10 m增大至40 m時(shí),滲流量Q增大0~0.71%;當(dāng)L2由40 m增大至100 m時(shí),滲流量Q降低0.33%~0.59%。且采用全封閉式防滲墻控滲時(shí)(S1=110 m),控滲效果明顯優(yōu)于其他工況。 作壩踵處滲透坡降J1隨強(qiáng)透水層下游開口長(zhǎng)度L2的變化曲線如圖13所示。 對(duì)比圖12與13可知,兩者變化規(guī)律類似,以下游開口長(zhǎng)度L2=40 m為對(duì)稱軸,在該處達(dá)到極大值;當(dāng)L2由10 m增大至40 m時(shí),壩踵處滲透坡降J1增大0~2.76%;當(dāng)L2由40 m增大至100 m時(shí),J1降低0.8%~2.14%。 作出逸坡降J2的變化曲線如圖14所示。 圖11出逸坡降隨強(qiáng)透水層上游開口長(zhǎng)度的變化曲線 圖12滲流量隨強(qiáng)透水層下游開口長(zhǎng)度的變化曲線 圖13壩踵處滲透坡降隨強(qiáng)透水層下游開口長(zhǎng)度的變化曲線 圖14出逸坡降隨強(qiáng)透水層下游開口長(zhǎng)度的變化曲線 由圖14可得,出逸坡降J2隨下游開口長(zhǎng)度L2的增加而增大,增幅為0.06%~0.13%;且采用全封閉式防滲墻(S2=110 m)時(shí),J2增大最為顯著(0.13%),其余曲線近似水平。 綜上所述,滲流量Q、壩踵處滲透坡降J1、出逸坡降J2曲線變化平緩,可見強(qiáng)透水層下游開口對(duì)滲流影響較小。 4.3.3 強(qiáng)透水層開口在防滲墻底端 進(jìn)一步分析滲流參數(shù)隨強(qiáng)透水層底端開口長(zhǎng)度L3的變化曲線,如圖15所示。 由圖15可得,滲流量曲線大致分3類,“顯著上升曲線”、“平緩上升曲線”、“平緩下降曲線”。(1)當(dāng)S2=0~50 作壩踵處滲透坡降J1隨底端開口長(zhǎng)度L3的變化曲線如圖16所示。 由圖16可得:(1)當(dāng)S2=0~50 m 作出逸坡降J2的變化曲線如圖17所示。 對(duì)比圖15~17不難得出,三者變化規(guī)律類似,J2的變化規(guī)律不再詳細(xì)贅述。(1)當(dāng)S2=0~50 m 前文已經(jīng)詳細(xì)分析了強(qiáng)透水層上游、下游、底端開口長(zhǎng)度對(duì)滲流量Q、壩踵處滲透坡降J1、出逸坡降J2的影響規(guī)律,但何種開口形式對(duì)控滲工程更不利尚不明確,需展開對(duì)比分析。 4.3.4 強(qiáng)透水層開口形式分析 以強(qiáng)透水層厚度d=1 m、深度S1=55、開口長(zhǎng)度L1=L2=L3=50 m為例,針對(duì)強(qiáng)透水層開口形式作對(duì)比分析。作不同開口形式下滲流量Q隨防滲墻深度S2的變化曲線,如圖18所示。 分析圖18不難得出,(1)各曲線變化規(guī)律類似,滲流量(Q上、Q下、Q底)隨著防滲墻深度S2的增加而減?。籗2由0 增大至110 m,Q上、Q下、Q底分別降低27.95%、27.68%、28.28%。(2)Q上、Q下、Q底分別為2.738×10-5~3.8×10-5、2.722×10-5~3.764×10-5、2.726×10-5~3.801×10-5m3/s,可見Q下明顯低于Q上和Q底,下游開口對(duì)滲流量Q影響最小。(3)當(dāng)S2=0~50 m時(shí),防滲墻未穿過強(qiáng)透水層時(shí),各曲線并未重合;當(dāng)防滲墻穿過強(qiáng)透水層(S2=0~60 m)時(shí),各曲線近似重合;可見當(dāng)防滲墻穿過強(qiáng)透水層后,強(qiáng)透水層的開口形式對(duì)滲流量影響較小。 當(dāng)強(qiáng)透水層開口長(zhǎng)度L1=L2=L3=50 m時(shí),作壩踵處滲透坡降J1變化曲線如圖19所示。 對(duì)比圖18與19不難得出,滲流量Q曲線和壩踵處滲透坡降J1曲線變化規(guī)律類似,其變化規(guī)律不再贅述。此外,J1上、J1下、J1底分別為0.25~0.839、0.249~0.827、0.25~0.851,J1底>J1上>J1下,可見對(duì)壩踵處滲透坡降影響從大到小排序?yàn)椋旱锥?、上游、下游?/p> 當(dāng)強(qiáng)透水層開口長(zhǎng)度L1=L2=L3=50 m時(shí),作出逸坡降J2變化曲線如圖20所示。 圖15滲流量隨強(qiáng)透水層底端開口長(zhǎng)度的變化曲線 圖16壩踵處滲透坡降隨底端開口長(zhǎng)度的變化曲線 圖17出逸坡降隨底端開口長(zhǎng)度的變化曲線 圖18不同開口形式滲流量隨防滲墻深度變化曲線 圖19不同開口形式壩踵處滲透坡降隨防滲墻深度變化曲線 圖20不同開口形式出逸坡降隨防滲墻深度變化曲線 對(duì)比圖18~20可得出,Q、J1和J2的規(guī)律類似,隨著S2的增大而降低。當(dāng)S2由0增大至110 m時(shí),J2上、J2下和J2底分別降低2.8%、2.7%和2.82%。當(dāng)S2=0~50 m 由4.3節(jié)可知,在分析強(qiáng)透水層對(duì)滲流場(chǎng)的影響規(guī)律時(shí),圖9~17中滲流參數(shù)曲線變化平緩,展開如下討論。 (1)當(dāng)防滲墻未穿過強(qiáng)透水層時(shí)(S2=0~50 m (2)當(dāng)防滲墻穿過強(qiáng)透水層時(shí)(S2=60~110 m>S1=55 m),防滲墻與下層弱透水層(位于強(qiáng)透水層下部)形成封閉式聯(lián)合防滲體系,強(qiáng)透水層開口長(zhǎng)度的改變對(duì)滲流參數(shù)影響較小。 本文深厚覆蓋層壩基主要由弱透水層(黏土)構(gòu)成,局部區(qū)域的強(qiáng)透水層為滲流集中通道,為控滲工程中的“薄弱環(huán)節(jié)”。在分析強(qiáng)透水層特性(S1、d、L1、L2、L3)對(duì)各滲流參數(shù)的影響時(shí)不難得出,當(dāng)防滲墻穿過強(qiáng)透水層時(shí)對(duì)應(yīng)的滲流參數(shù)(Q、J1、J2),明顯低于未穿過時(shí)對(duì)應(yīng)的各參數(shù);此外,當(dāng)采用全封閉式防滲墻時(shí)(S2=110 m),滲流參數(shù)都降至最低。因此,針對(duì)局部區(qū)域存在強(qiáng)透水層的深厚覆蓋層地基,防滲墻設(shè)置時(shí)應(yīng)穿過強(qiáng)透水層,形成相對(duì)封閉的聯(lián)合控滲體系;若仍不能滿足控滲要求時(shí),建議做成全封閉式防滲體系。 基于非飽和土滲流理論,探討深厚覆蓋層壩基中局部強(qiáng)透水層特性對(duì)滲流場(chǎng)的影響規(guī)律,得出以下5點(diǎn)結(jié)論。 (1)當(dāng)強(qiáng)透水層深度大于防滲墻深度時(shí),滲流量、壩踵處滲透坡降和出逸坡降隨著強(qiáng)透水層深度增大而減??;反之,隨著強(qiáng)透水層深度增大,滲流量逐漸增大,壩踵處滲透坡降先降低后增大,出逸坡降降低。 (2)滲流量、壩踵處滲透坡降、出逸坡降皆隨著強(qiáng)透水層厚度的增加而增大;且當(dāng)防滲墻底端位于強(qiáng)透水層時(shí),滲流參數(shù)顯著增大。 (3)隨著強(qiáng)透水層上游開口長(zhǎng)度增大,滲流量和出逸坡降逐漸增大,壩踵處滲透坡降先增大后降低;隨著強(qiáng)透水層下游開口長(zhǎng)度增大,滲流量和壩踵處滲透坡降先增大后降低,出逸坡降逐漸增大;各滲流參數(shù)隨強(qiáng)透水層底端開口長(zhǎng)度的增加而增大,全封閉式防滲墻除外。 (4)當(dāng)強(qiáng)透水層處于壩基中間位置,且厚度和開口長(zhǎng)度一定時(shí),各滲流參數(shù)隨防滲墻深度的增加而降低;各開口形式對(duì)滲流參數(shù)影響從大到小排序?yàn)椋旱锥?、上游、下游?/p> (5)針對(duì)深厚覆蓋層中存在局部強(qiáng)透水層的特殊地基,設(shè)置防滲墻時(shí)應(yīng)穿過強(qiáng)透水層,形成相對(duì)封閉的聯(lián)合控滲體系;若仍不能滿足控滲要求時(shí),建議做成全封閉式防滲體系。3 模型建立
3.1 模型概況
3.2 計(jì)算工況
3.3 計(jì)算參數(shù)
4 模擬結(jié)果與分析
4.1 強(qiáng)透水層深度分析
4.2 強(qiáng)透水層厚度分析
4.3 強(qiáng)透水層連續(xù)性分析
5 討 論
5.1 平緩曲線分析
5.2 防滲墻設(shè)置分析
6 結(jié) 論