開裂位置對防滲墻滲流特性的影響

1防滲墻開裂對壩基滲流特性的影響防洪墻是一種廣泛應用于節(jié)水工程中的建筑物。在樞紐建筑物中,防滲墻關(guān)系到地基的穩(wěn)定、大壩的安危。防滲墻工程是隱蔽工程,有其獨特的規(guī)律。人們對防滲墻開展了多方面的研究工作,主要有:防滲墻的施工方法和技術(shù)研究,防滲墻施工過程中的質(zhì)量控制和檢測,各種條件下防滲墻的應力變形分析,防滲墻的滲透特性研究,防滲墻開裂對壩基穩(wěn)定性的影響等。以往的研究表明,防滲墻開裂會造成其局部滲流集中,使開裂部位附近的滲透坡降明顯增大,防滲墻削減水頭的作用將減弱。目前防滲墻開裂對滲流特性的影響的研究大多針對具體工程進行。國內(nèi)趙堅等人以冶勒水電站為例,分析了在壩基地質(zhì)條件復雜,各巖層滲透性相差較大的情況下,防滲墻開裂時,其覆蓋層各土層滲透破壞的范圍及壩基滲透破壞區(qū)的滲透擴展過程。結(jié)果表明:若防滲墻開裂,則壩基土體可能發(fā)生滲透破壞,而且防滲墻裂縫的寬度與條數(shù)對壩基滲透穩(wěn)定性與滲透破壞范圍的大小有重要影響。因此,防滲墻開裂位置及其上下游水位差條件不同對其滲流場影響的研究具有一定的工程指導意義和理論研究價值。2各模型的滲流量反差不大,但滲流量不大筆者在文中的滲流數(shù)值計算采用的是有限體積法。在大水頭差下的達西模型和非達西模型的滲流量相差不大。在縫外區(qū)域,兩個模型的滲透坡降場的差別也不顯著,因此,文中對防滲墻開裂的滲流計算采用概化達西模型,即開裂模擬采用立方定律。(1)儲水系數(shù)s地下水流動的深度平均方程,即常用的2維方程。S?h?t=??Xi(Tij??Xj)+Qsi=1?2；j=1?2(3)S?h?t=??Xi(Τij??Xj)+Qsi=1?2；j=1?2(3)式中S為深度平均儲水系數(shù);h為深度平均水頭;Tij為水系數(shù)張量(4個分量);Xi、Xj為卡迪爾坐標;Qs為源或匯項。(2)網(wǎng)格節(jié)點及其鄰近節(jié)點關(guān)系在IGW中的網(wǎng)格布置見圖1。圖2顯示了網(wǎng)格節(jié)點及其鄰近節(jié)點的關(guān)系。圖2中的非節(jié)點值采用調(diào)和平均進行插值;滲流速度與水力傳導系數(shù)在網(wǎng)格上錯開布置。3試驗模型滲流試驗全部采用砂槽模擬,這種模擬方法能夠真實地反映滲流的物理現(xiàn)象,而且不用擔心會破壞模型的各種滲流過程而導致的失真。(1)孔隙水壓力檢測砂槽的一側(cè)為灰塑料板,裝有量測各部位的孔隙水壓力的測壓管,另一側(cè)為有機玻璃,以便觀察。因本試驗為模擬二維滲流,故采用矩形槽結(jié)構(gòu)(圖3)。(2)供水設(shè)備為了保持上游水位平穩(wěn),波動較小,采用了槽首底部供水的方法,盡可能減少了試驗的系統(tǒng)誤差。(3)測量裝置測定孔隙水壓力采用的是應用最早和最簡單的測壓管,滲流量采用稱重法。4流特性的變化防滲墻在阻滲防水方面具有不可替代的關(guān)鍵作用,因此,當防滲墻發(fā)生裂縫時,對滲流特性的變化情況應十分關(guān)注。當防滲墻的裂縫發(fā)生的高程逐漸升高時,滲流特性的變化情況也是研究的重點。計算中,設(shè)定防滲墻為插入覆蓋層0.3m深的懸掛式防滲墻,砂土的滲透系數(shù)取1.27cm/s,防滲墻厚0.03m,裂縫的寬度為0.005m。分別在上下游水頭差為0.05m、0.15m、0.25m三種工況下,模擬了防滲墻未開裂時、防滲墻開裂位置在0.26m(墻高的2/6)、0.31m(墻高的3/6)、0.36m(墻高的4/6)以及0.41m(墻高的5/6)處的情況。4.1開裂高程的影響表1是不同水頭差下各工況的單寬滲流量的計算值和試驗值,兩者均表明,與未開裂時相比,防滲墻開裂后滲流量有明顯的增加,最大時增大了近20%,而且隨著上下游水頭差的不斷增大,這種增大的趨勢越來越明顯。隨著防滲墻開裂高程的增大,即開裂的位置越來越靠上,滲流量逐漸增大的趨勢愈加明顯,尤其是當裂縫從底部向上至墻高2/3段時,滲流量的增大幾乎是隨著開裂高程的增大而成線性增加的;當裂縫的高程超過墻高的2/3時,滲流量增大的趨勢就變得緩慢了。4.2抗?jié)B墻開裂深化測試結(jié)果對于以下三種不同水頭差:0.05m、0.15m、0.25m,防滲墻未開裂及防滲墻開裂后的四個不同高程的工況進行了滲流場的計算。表2為不同水頭差下各計算工況防滲墻削減水頭占總水頭的百分比計算結(jié)果和試驗結(jié)果。兩者均表明,在未發(fā)生裂縫時,防滲墻可以起到削減至少60%水頭的作用,這對減輕閘壩底板揚壓力的作用是十分顯著的。但是,當防滲墻發(fā)生裂縫之后,防滲墻削減水頭的作用明顯下降,隨著開裂高程的增大,這種削減水頭的作用變得越來越小。當開裂高程依次為墻高的2/6、墻高的3/6、墻高的4/6及墻高的5/6時,防滲墻削減的水頭占總水頭的百分比依次遞減,且防滲墻削減的水頭占總水頭的百分比幾乎是隨著防滲墻開裂高程的增加而成線性減小的。從表2還可以看出,防滲墻削減的水頭占總水頭的百分比基本不隨上下游水頭差的變化而變化。圖4是防滲墻在上下游水頭差為0.25m時,四個不同高程開裂和未開裂的工況下水頭沿程分布的試驗和數(shù)值計算結(jié)果比較圖。由圖4可見,試驗和數(shù)值計算的結(jié)果很接近,均較好的反映了防滲墻開裂前后以及開裂位置不同帶來的變化規(guī)律。防滲墻開裂前后水頭線的變化很明顯,開裂后墻后水頭明顯增大。在開裂后的一定范圍內(nèi),開裂的高程越高,水頭曲線越高,水頭值越大。但是,當其超過某一范圍后,四個不同開裂高程的水頭曲線便重合在一起了,說明在這個范圍內(nèi),開裂高程不同造成的水頭分布的差異已經(jīng)不明顯,而且這種范圍隨著水頭曲線高程值的降低而擴大。防滲墻開裂后,墻下的水頭線相對未開裂時變得很平緩,防滲墻開裂后減弱了防滲墻下部的水頭衰減。4.3透水滲墻開裂表3是防滲墻未開裂時以及分別在0.26m、0.31m、0.36m、0.41m開裂時的出逸點處的滲透坡降情況。從表3中可以看出,防滲墻開裂后與開裂前相比,在出逸點處的滲透坡降值有了很明顯的增大,在上下游水頭差為0.25m的計算工況下,開裂后的出逸點滲透坡降最大值為0.33,而未開裂時的值為0.24,防滲墻開裂后在出逸點處的滲透坡降與開裂前相比增大了將近40%。隨著防滲墻開裂位置的不斷上移,出逸點的滲透坡降值相應的也增大了,開裂高程由0.26m變化到0.41m,出逸點滲透坡降值由0.305增大到0.330。這種出逸點滲透坡降隨防滲墻開裂位置的升高而增大的關(guān)系幾乎是線性關(guān)系。表4是防滲墻未開裂時以及分別在0.26m、0.31m、0.36m、0.41m開裂時防滲墻下的最大滲透坡降情況。從中可以發(fā)現(xiàn),防滲墻開裂后,隨著防滲墻開裂位置的上移,墻下的最大滲透坡降值逐漸變小;而且,隨著水頭差的不斷加大,增大的速度也加快了。綜上所述,出逸點滲透坡降隨防滲墻裂縫位置升高而增大;而防滲墻下基巖坡降隨開裂位置升高而有所降低,說明開裂位置愈高,墻的阻水能力減弱,進而墻內(nèi)及墻下坡降相應減小。5裂縫高度統(tǒng)計的趨勢在于其認為,通過數(shù)值計算與試驗相結(jié)合進行的研究表明:防滲墻未開裂與開裂時的滲流量相比,滲流量有明顯的增加,而且隨著上下游水頭差的不斷增大,防滲墻開裂高程的不斷上移,滲流量逐漸增大的趨勢愈加明顯;當裂縫的高程超過墻高的2/3時,滲流量增大的趨勢就變得緩慢了。當防滲墻發(fā)生裂縫之后,防滲墻削減水頭的作用明顯下降,隨著開裂高程的增大,這種削減水頭的作用變得越來越小。而防滲墻削