三峽工程二期圍堰滲透穩(wěn)定性研究綜述

三峽工程二期圍堰滲透穩(wěn)定性研究綜述

0第二,二次圍堰研究第二階段的最大洪水能力為85m，最大填充水深為60m，最大洪水能力為70.85m。溝渠最大高度為85m，擾動時(shí)間短，設(shè)計(jì)強(qiáng)度高。這是世界圍堰史上罕見的。二期圍堰不僅技術(shù)復(fù)雜、施工難度大,而且是三峽工程建設(shè)時(shí)期最重要的安全屏障。因此,二期圍堰雖為臨時(shí)建筑物,但卻是三峽工程的關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目之一。自50年代后期開始對二期圍堰進(jìn)行研究,至今已經(jīng)40年。長江科學(xué)院土工研究所對堰體填料及堰基土料的工程特性、本構(gòu)關(guān)系;60m水深下拋填風(fēng)化砂的密度和坡角;圍堰結(jié)構(gòu)型式及應(yīng)力應(yīng)變分析;防滲墻柔性材料;圍堰滲流狀態(tài)等問題,進(jìn)行了長期深入的研究。本文簡要介紹滲流的研究成果。1滲流研究的問題二期圍堰的斷面型式示于附圖。在不同設(shè)計(jì)階段,斷面型式有所不同,滲流研究的目的與側(cè)重也有所不同?？傮w而言,滲流研究的主要問題是:(1)圍堰填料及堰基淤砂的滲透穩(wěn)定性;(2)圍堰的滲流狀況(有限元計(jì)算)分析及評價(jià);(3)不良工況下的滲流狀態(tài)及對圍堰滲透穩(wěn)定的影響。2大壩填充和大壩底部沉積物的滲透穩(wěn)定由附圖可以看出,可能發(fā)生滲流破壞的土料主要是風(fēng)化砂(堰體)、淤砂(堰基)。2.1風(fēng)化砂的滲透穩(wěn)定試驗(yàn)成果列入表1。所選3種試樣基本可代表現(xiàn)場風(fēng)化砂的性狀,破壞比降為1.25～1.90。2.2學(xué)校周邊淤砂密度葛洲壩水利樞紐蓄水后,在三峽壩址區(qū)淤積有粉土質(zhì)砂(簡稱新淤砂或淤砂),其密度低、結(jié)構(gòu)松散、滲透穩(wěn)定性差。天然狀態(tài)下,淤砂淺層的干密度僅1.4g/cm3左右,但在一定填土加載的情況下,淤砂密度很快提高。例如一期圍堰建成后,其下的淤砂密度為1.39～1.88g/cm3,小值平均值亦有1.59g/cm3。試驗(yàn)密度即據(jù)此控制。因二期圍堰基礎(chǔ)淤砂均在水下,無法取樣,因此試驗(yàn)樣品仍取自一期圍堰。試驗(yàn)成果列入表2。表2說明淤砂的滲透穩(wěn)定性與干密度及滲透水流方向有關(guān),在分析評價(jià)時(shí)應(yīng)區(qū)別對待。2.3基巖砂和風(fēng)化砂的抗?jié)B強(qiáng)度接觸滲透穩(wěn)定一般可分為沿接觸面方向的接觸沖刷與垂直接觸面的接觸流土兩種破壞類型。目前尚無公認(rèn)的計(jì)算或評價(jià)的方法,均需進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)。試驗(yàn)表明,淤砂與風(fēng)化砂之間沒有產(chǎn)生接觸沖刷的現(xiàn)象,控制滲透穩(wěn)定的仍是風(fēng)化砂或新淤砂各自的抗?jié)B強(qiáng)度。同樣,當(dāng)滲透水流垂直接觸面時(shí)也未出現(xiàn)接觸流土現(xiàn)象。當(dāng)比降大于2時(shí),新淤砂和其上的風(fēng)化砂可發(fā)生整體上浮,且隨上部壓重的增加,整體浮動的比降也加大。由此可知,新淤砂和風(fēng)化砂之間符合反濾要求,不存在接觸滲透穩(wěn)定問題。2.4試驗(yàn)結(jié)果及級配由斷面設(shè)計(jì)可知,在風(fēng)化砂與截流堆石體之間,其接觸滲透穩(wěn)定不能得到保證。為此,需設(shè)置過渡帶。根據(jù)工地的實(shí)際情況,過渡帶選用了5～120mm,20～200mm及5～150mm三種級配料進(jìn)行分析試驗(yàn)。風(fēng)化砂料主要選用較細(xì)的級配,因?yàn)榧?xì)的風(fēng)化砂滿足過渡要求,粗料當(dāng)無問題。試驗(yàn)表明5～120mm及5～150mm兩種級配的碎石均可滿足風(fēng)化砂的反濾要求,在比降限定5以下時(shí),20～200mm的碎石亦可保證風(fēng)化砂的滲透穩(wěn)定。32期大壩洪水流量分析3.1防滲墻滲流的影響在初步設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)階段都進(jìn)行了大量的分析計(jì)算。雖然斷面尺寸、參數(shù)選取乃至計(jì)算結(jié)果都有所不同,但規(guī)律是一致的,結(jié)論意見也基本相同。這里主要介紹技術(shù)設(shè)計(jì)階段的成果。(1)防滲墻插入弱風(fēng)化帶的深度由0增至1m時(shí),其滲流量、墻后風(fēng)化砂中的滲透比降減小了約1/3,其影響明顯。同時(shí),防滲墻未進(jìn)入弱風(fēng)化帶時(shí),墻底的滲流狀況也較惡劣,墻底裂隙中產(chǎn)生的集中滲流在部分堰段可能會對堰基砂卵石和淤砂的滲透穩(wěn)定不利。由此可見,防滲墻深入弱風(fēng)化層的深度對圍堰的滲流狀態(tài)有較大作用,防滲墻應(yīng)深入弱風(fēng)化帶0.5～1m。(2)深入弱風(fēng)化層1m的防滲墻有效地截?cái)嗔说叵滤?各方案均起到有效的防滲作用。對雙墻方案,第一道墻承擔(dān)總水頭的40%～45%,第二道墻承擔(dān)總水頭的55%～60%。(3)由于堰體主要填料風(fēng)化砂與防滲墻的滲透系數(shù)相差103倍之多,因此再提高防滲墻的防滲性對堰體滲流影響不大。設(shè)置防滲墻后,圍堰滲流主要來自堰基滲流,因而圍堰滲流量與巖體透水性關(guān)系密切。(4)各種防滲方案中雙墻方案滲流量和滲透比降最小,墻后地下水位最低,但各方案的堰體和堰基地下水等勢線分布除局部有差異外基本相同。防滲墻后的淤砂和風(fēng)化砂的垂直和水平接觸(出逸)比降均小于0.03,即使在風(fēng)化砂滲透系數(shù)為5×10-4cm/s的不利條件下,深槽部位的新淤積砂在墻后和堆石體處的最大水平比降僅為0.16。試驗(yàn)得出新淤砂的最小水平破壞比降為0.64(表2),可見此時(shí)有4倍的安全系數(shù),淤砂的滲透穩(wěn)定可以得到保證。3.2滲流段長度的影響平面計(jì)算主要比較了防滲墻的深度影響,但防滲墻的橫向插入長度及堰體、堰基滲流的空間分析均應(yīng)通過三維計(jì)算解決,不同階段計(jì)算的主要結(jié)論有:(1)防滲墻插入左岸山體的長度對圍堰的滲流狀態(tài)影響不大,墻后浸潤面較低、堰體和山坡表面均無出逸現(xiàn)象。所計(jì)算的近600m長防滲線,其80m繞流段內(nèi)的滲流量僅占總流量的0.6%。(2)三維滲流的地下水面等高線與地形等高線基本一致。(3)穿過堰體(基)的地下水主要向?qū)Ｉ街樯畈蹍R集,深槽旁的地下水面等高線最集中。風(fēng)化砂與過渡帶間的最大出逸比降為0.34,風(fēng)化砂與淤砂間的最大水平滲透比降為0.8,滿足滲透穩(wěn)定要求,不會產(chǎn)生接觸沖刷破壞。3.3非穩(wěn)定流假說的計(jì)算非穩(wěn)定計(jì)算的目的是了解基坑抽水或洪峰過后庫水位下降對堰體滲透穩(wěn)定的影響,特別是基坑抽水速度對滲透穩(wěn)定的影響。3.3.1給水性及復(fù)合性分析長江洪峰具有峰高、降落快的特點(diǎn),根據(jù)壩址設(shè)計(jì)洪水過程線并從安全考慮,取庫水位以1.2m/d的速度連續(xù)下降20d(即從設(shè)計(jì)水位85m降至61m)作為非穩(wěn)定計(jì)算條件。堰體的非穩(wěn)定滲流狀態(tài)還同填料的滲透系數(shù)及給水度有關(guān),為此進(jìn)行了專門的給水度試驗(yàn)。試驗(yàn)得出風(fēng)化砂的給水度為0.18～0.2。計(jì)算中除取用試驗(yàn)值外,還取給水度為0.1和0.3進(jìn)行敏感性分析。計(jì)算表明,由于石碴及砂卵石的透水性較大(5×10-2cm/s或5×10-3cm/s),當(dāng)給水度從0.1增大到0.3時(shí),上游堰體內(nèi)的水均能迅速排走,堰體上游的浸潤線降落較快,庫水位驟降過程中上游堰坡均無坡面出逸現(xiàn)象。風(fēng)化砂和石碴的最大出逸比降僅為0.22,不會產(chǎn)生上游堰坡的滲透破壞。3.3.2風(fēng)化砂滲流狀態(tài)二期圍堰建成后,基坑內(nèi)設(shè)計(jì)水位為82.28m。首先研究了不同基坑抽水速度(0.5m/d,1m/d,2m/d及4m/d)對防滲墻下游堰體堰基的滲流狀態(tài)影響。計(jì)算表明,當(dāng)抽水速度達(dá)4m/d時(shí),防滲墻后堰體內(nèi)的浸潤線坡度較大,滲流比降大,最大水平比降為0.59,滲流狀態(tài)較為不利。從安全考慮,抽水速度不宜大于1m/d。進(jìn)一步的計(jì)算還表明,基坑抽水時(shí),水流從風(fēng)化砂流向淤砂,不存在垂直接觸滲透穩(wěn)定問題;堰基砂卵石層對圍堰滲流狀態(tài)有較大影響,對沒有砂卵石層的壩段,壩體風(fēng)化砂與堰基淤砂的接觸滲透比降可增大4倍;堰體風(fēng)化砂的滲透性對浸潤線和下游堰坡出逸點(diǎn)的高度影響較大,滲透性大浸潤線降落快,當(dāng)滲透系數(shù)由10-3cm/s減小至10-4cm/s時(shí),浸潤線易在高程69m的平臺出逸,邊坡出逸段高度增加近7m。這些問題均應(yīng)在設(shè)計(jì)中予以考慮。總體而言,只要抽水速度控制在1m/d以下,堰體及堰基的滲透穩(wěn)定性是可以得到保證的。4抗?jié)B墻不良樣品的三維滲流分析4.1開叉縫融砂石安全驗(yàn)算所謂不良工況即是防滲墻開叉或出現(xiàn)裂縫時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)?？紤]這種工況是為了解在最不利情況下有何結(jié)果,以利防范。計(jì)算中以單墻為例并截取一段代表性堰體,假定在防滲墻下部砂卵石層內(nèi)存在一高12m、寬0.1～0.2m的開叉縫,縫內(nèi)仍充填有砂卵石。計(jì)算結(jié)果揭示:(1)“開叉”處心墻下游浸潤線均有不同程度的升高,但幅度不大。開叉寬度為0.1m和0.2m時(shí),開叉處浸潤線分別高為20.6m和22.5m。同未開叉的平面計(jì)算成果相比,僅抬高3.6m和5.5m,且只對離開叉處沿軸線50m范圍內(nèi)的浸潤線有一定影響,對100m范圍以外已基本沒有影響。(2)“開叉”處砂卵石的水平滲流集中,縫內(nèi)比降高達(dá)40～60,但集中滲流在墻后很快得以消散,墻后5m以外砂卵石內(nèi)最大水平比降小于1.4,堆石體下淤砂水平比降不到0.2,對堰體安全不會帶來大的危險(xiǎn)。(3)“開叉”0.2m×12m時(shí),對基坑滲流量影響不大。4.2防滲墻缺陷計(jì)算當(dāng)防滲墻中上部出現(xiàn)裂隙時(shí),從縫中流出的水流,就會有一個從飽和區(qū)到非飽和區(qū)再到飽和區(qū)的過程。此時(shí),就必須考慮飽和-非飽和滲流問題,在二期圍堰中亦專門研究了這一問題。建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型及供實(shí)用的計(jì)算程序。對非飽和滲流參數(shù)借用了有關(guān)研究成果。計(jì)算表明:(1)當(dāng)防滲墻不存在缺陷時(shí),用飽和-非飽和模型及飽和模型兩種方法計(jì)算,結(jié)果基本一致,誤差在5%以內(nèi)。(2)防滲墻上部(高程72～85m)出現(xiàn)不同規(guī)模的缺陷(0.2m,0.4m和0.8m)時(shí),較之完整防滲墻情況,滲流量約增加300～730cm3/s,墻后浸潤線高度增高0.9～2m,尚無質(zhì)的變化。(3)防滲墻缺陷所在位置對堰體滲流的影響比較明顯。同樣規(guī)模的缺陷位于下部較之位于上部的流量增大約60～70倍,墻后浸潤線高度增高約6m。可見下部出現(xiàn)缺陷更為不利。本節(jié)研究了防滲墻出現(xiàn)不良工況的情形,就工程而言當(dāng)然不允許這些不良工況出現(xiàn),作這樣的分析只是了解萬一出現(xiàn)個別不良工況會有什么后果。特別需要指出的是,本節(jié)分析的前提是,堰體風(fēng)化砂、過渡料、堰基淤砂均為設(shè)計(jì)狀態(tài),不能再出現(xiàn)意外條件。5滲流破壞比降目前提交實(shí)施的圍堰設(shè)計(jì)斷面,其滲透穩(wěn)定是可以得到保證的。(1)圍堰填料風(fēng)化砂的滲透破壞比降為1.25～1.9,屬管涌-流土型破壞;堰基淤砂視不同密度、不同水流方向,其滲透破壞比降為0.64～2.28,破壞形式為流土;淤砂和風(fēng)化砂之間的接觸滲透穩(wěn)定問題在設(shè)計(jì)條件下均可得到保證;但淤砂同過渡帶、堆石之間易產(chǎn)生接觸滲透破壞,其判別標(biāo)準(zhǔn)就是淤砂自身的滲透破壞比降。(2)計(jì)算表明圍堰防滲墻的深度對圍堰滲流狀態(tài)影響較大,應(yīng)嵌入弱風(fēng)化帶0.5～1m為好;而防滲墻插入左岸山體的長度則影響不大。在此條件下,防滲墻后直至堆石體下淤砂的最大水平比降僅為0.16,較之水平破壞比降最小值(0.64)仍有4倍的安全系數(shù)。(3)非穩(wěn)定滲流計(jì)算指出,由于堰體上游石碴及砂卵石的透水性較大,因此庫水位驟降過程中上游坡面均無出逸現(xiàn)象;對基坑內(nèi)抽水建議控制抽水速度在1m/d以內(nèi),可保證堰體、堰基的滲透穩(wěn)定。(4)若防滲墻