某沥青混凝土心墙坝渗流场异常原因研究-wjl.pdf

某沥青混凝土心墙坝渗流场异常原因研究 张家发 王金龙 2014-9-19 长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室 第五届水利水电岩土力学与工程学术研讨会第五届水利水电岩土力学与工程学术研讨会 长江科学院长江科学院 CHANGJIANG RIVER SCIENTIFIC RESEARCH INSTITUTE 长江科学院长江科学院 CHANGJIANG RIVER SCIENTIFIC RESEARCH INSTITUTE 1.1.背景背景 2.2.大坝工程性态大坝工程性态 3.3.大坝渗流场数值模型大坝渗流场数值模型 4.4.数值模拟成果数值模拟成果 5.5.渗漏原因分析及结论渗漏原因分析及结论 1.背景背景 渗流场控制对于土石坝的安全至关重要，而沥青混凝土心墙又是ACC 土石坝防渗的关键部位。 因此，对沥青混凝土质量及心墙施工工艺有着对沥青混凝土质量及心墙施工工艺有着 严格的技术要求严格的技术要求。 沥青混凝土的工艺控制类似于工业产品，而实际上现场施工受多种 环境因素、人为因素的影响 天气（降雨、气温、风速） 沥青混凝土原材料的挑选和配备 拌合设备、运输设备、摊铺和碾压设备故障 各个环节的温度控制等。 已有很多ACC坝成功运行。但目前也有出现异常情况的ACC坝工程。 1.背景背景 中国西部一ACC坝，两次试蓄水过程中，观测发现大坝渗流量大坝渗流量 增大，大坝下游坝体浸润线较高，下游坝坡中间高程出现水平分布增大，大坝下游坝体浸润线较高，下游坝坡中间高程出现水平分布 并与两岸坡基本联通的散浸带，并与两岸坡基本联通的散浸带，目前已停止蓄水。 鉴于水库在试蓄水过程中出现渗流异常情况，大坝安全存在隐 患，本课题拟在分析大坝设计资料、施工资料、观测资料基础上， 建立大坝典型断面渗流场模型，分析大坝的渗流异常情况产生的原 因，为大坝安全状态评价和必要的加固处理措施设计提供参考。 2.大坝工程性态大坝工程性态 2.1 2.1 大坝设计大坝设计 2.2 2.2 施工质量控制施工质量控制 2.3 2.3 蓄水监测蓄水监测 2.1 大坝设计大坝设计 水库大坝坝顶高程1217m，坝顶长206m，坝顶宽8m，坝高61m。 沥青混凝土心墙沥青混凝土心墙采用阶梯式，1187m以下心墙墙体为等厚 0.7m，1187m以上墙体为等厚0.4m。 大坝基础灌浆帷幕大坝基础灌浆帷幕帷幕底线在岩体5Lu线以下5m。大坝防渗 轴线向右坝肩延伸40m，左坝肩延伸至溢洪道左侧40m。 2.2 施工质量控制施工质量控制 2.2 施工质量控制施工质量控制 2.3 蓄水监测情况蓄水监测情况 该工程初次试蓄水，蓄水位至1202m，在水库试蓄水过程中， 发现大坝渗流量增大，大坝下游坝体浸润线较高而停止蓄水。大坝渗流量增大，大坝下游坝体浸润线较高而停止蓄水。 初次蓄水后，心墙上 游帷幕进行了补强灌浆。再 次试蓄水时，下游坝坡面下游坝坡面 1185m1185m高程出现水平分布并与高程出现水平分布并与 两岸坡基本联通的散浸带，两岸坡基本联通的散浸带， 该散浸带宽约该散浸带宽约1.58m1.58m。。 2.3 蓄水监测情况蓄水监测情况 在坝体布置了四排（心墙前4m、心墙后4m、1197m马道、1177m马道） 三列（坝体右侧、坝体中间、坝体左侧）地下水观测孔。 2.3 蓄水监测情况蓄水监测情况 2013年9月18日水库蓄水最高达到1212.16m，观测孔水位插值得到坝体 及坝肩区域地下水位等值线分布图。心墙处没有明显等势线集中，心墙前 后水头差6～10m，心墙后坝体坝肩水头等值线分布均匀。 2.3 蓄水监测情况蓄水监测情况 最大断面所在的中间列观测孔水位及库水位、三角堰流量过程线 2.3 蓄水监测情况蓄水监测情况 监测结果表明 三角堰流量与库水位相关性较强，库水位每升降1m，流量变化 约为0.456 l/s 。 心墙前的观测孔水位与库水位联动性很强，对库水位的响应系 数为0.907～0.717。 心墙后的观测孔水位与库水位联系较强，对库水位的响应系数 为0.618～0.559，水库水位每升降1m，墙后水位升降约0.6m。 2.3.蓄水监测情况蓄水监测情况 监测结果表明，试蓄水过程中，沥青混凝土防渗心墙和灌浆帷幕组成 的防渗体系以及下游坝体排水系统没有达到设计要求的渗控效果，渗流场 出现异常，管理单位已决定停止蓄水。 管理、设计、施工、监理等各方存在如下疑问 ACC是否满足渗透要求、是否破损、与坝基是否结合良好 灌浆帷幕质量、帷幕深度、延伸长度是否满足渗透要求 心墙下游的排水系统为何没有达到预期的排水效果 由于坝体渗流观测测压管没有进行分层观测，难以反应出渗漏到底是 通过ACC还是坝基帷幕，并且难以解释下游坝坡湿润带现象。 结合现场调研和施工检测资料，考虑通过数值模型进行不同条件下渗 流场模拟，通过与实际渗流场分布的对比，探讨大坝渗漏原因。 3.渗流场模型渗流场模型 渗流计算采用长江科学院三维饱和非饱和非稳定渗流有限元程三维饱和非饱和非稳定渗流有限元程 序序US3DUS3D。该程序在一系列研究课题和工程科研项目中不断得到发展和 改进，目前已经是开展饱和非饱和渗流问题模拟和研究的重要工具。 （三峡船闸高边坡、小南海、Karot、堤防除险加固等） 3.1控制方程控制方程 连续介质中的饱和非饱和水流运动可用下列Richards势函数方程描述 模型初始条件 已知水头边界条件 已知流量边界条件 3.2模型条件模型条件 模型边界条件包括坝体迎水面为已知定水头边界；坝体下游面 1156.85m高程以下为已知定水头边界；坝体下游边坡为可能出逸面；模型 底面边界考虑为隔水边界。 初始条件坝体心墙及其上游坝体初始水头为水库水位，心墙下游低 于尾水位的坝体部分初始水头为尾水位，心墙下游侧高于尾水位的坝体部 分初始压力水头为-0.1m。 3.3渗透参数渗透参数 饱和含水率及饱和渗透系数值均按地质勘探成果，或者大坝填筑 质量复核检测试验成果确定。 非饱和土渗透系数选取西垣诚和Storment关于相近岩土材料的 非饱和土渗透特性试验成果。 4.数值模拟结果数值模拟结果 选取大坝最大断面，拟定六个计算方案 1.设计工况 2.坝基帷幕失效 3.心墙有裂缝 4.心墙有裂缝过渡区有弱透水层、 5.心墙有裂缝过渡区和坝壳料有弱透水层（设计水位条件） 6.心墙有裂缝过渡区和坝壳料有弱透水层（试蓄水最高水位） 4.数值模拟结果数值模拟结果 方案1（设计条件）总水头等值线分布 4.数值模拟结果数值模拟结果 方案1（设计条件）压力水头等值线分布 4.数值模拟结果数值模拟结果 方案5总水头等值线分布 4.数值模拟结果数值模拟结果 方案6总水头等值线分布 4.数值模拟结果数值模拟结果 方案6压力水头等值线分布 4.数值模拟结果数值模拟结果 通过模拟结果的对比分析，六个方案的渗流场水头等值线分布、自由 面分布、流量、各坝体分区中比降分布规律均比较合理。 自由面分布对比图 4.数值模拟结果数值模拟结果 渗流场流量、比降成果表 5 渗漏原因分析及结论渗漏原因分析及结论 1.1.设计工况设计工况设计工况下心墙和坝基帷幕起到很好的渗流控制作用。 沥青混凝土心墙承担了坝体绝大部分水头损失，坝体其余分区比降接近 于0，流量很小，心墙后自由面很低，接近于下游尾水位，坝坡无出逸。 设计工况下，不会出现下游坝坡中部散浸的异常现象。 2.2.坝基帷幕缺陷坝基帷幕缺陷当坝基帷幕失效，由于风化基岩渗透性与下游排水 系统的渗透性相比也不是非常强，只要坝体下游的排水系统有效，坝体 不会出现下游坝坡中部散浸的异常现象。 3.ACC缺陷缺陷当ACC出现缺陷（假定10cm）时，上游库水通过强透水 性的盲沟与过渡料连通，然后会通过心墙缺陷产生集中渗漏，但是下游 强透水性的坝壳料、排水盲沟、河床覆盖层足以将渗漏水流排走，并保 持下游坝体浸润线较低，不会出现下游坝坡中部散浸的异常现象。此工 况虽然下游坝体浸润线不高，但是流量最大，过渡料承担的比降最大， 对于渗透稳定来说最不利，此时的险情在坝体内部，可能外部难以发觉。 5渗漏原因分析及结论渗漏原因分析及结论 4.4.心墙缺陷和坝体弱透水水平层心墙缺陷和坝体弱透水水平层下游坝体填料的渗透性对于渗漏水 流的分布来说非常重要。方案4中，心墙有缺陷，下游过渡料由于不均 匀性可能存在的弱透水性水平分层会阻碍渗漏水流，虽然流量会减小， 但是在坝体中会出现较大范围的饱和区。方案5中，心墙有缺陷，下游 过渡料和坝壳料中可能存在的弱透水性水平分层会进一步阻碍渗漏水流， 流量进一步减小，随着渗漏时间的延续，在坝体中饱和区范围逐步扩大， 直至在坝坡弱透水层以上出逸。 此时坝体的稳定进一步恶化，坝坡如果不采取反滤排水保护，弱 透水分层就会出现很大的渗透比降，容易引发渗透破坏。 5.渗漏原因分析及结论渗漏原因分析及结论 渗流场异常主要原因渗流场异常主要原因 结合实际工程施工、检测资料，认为大坝渗流场异常的主要原因包 括，心墙有缺陷，下游过渡料和坝壳料中存在弱透水性水平分层。 5.渗漏原因分析及结论渗漏原因分析及结论 通过本工程的分析研究，也得到了一些经验教训 1.大坝防渗系统的完整有效性至关重要。 2.大坝下游的反滤排水系统对于避免渗透破坏和提高坝体稳定性非 常重要（特别是坝壳料渗透性难以得到保证时）。 长江科学院长江科学院 CHANGJIANG RIVER SCIENTIFIC RESEARCH INSTITUTE 长江科学院长江科学院 CHANGJIANG RIVER SCIENTIFIC RESEARCH INSTITUTE 谢谢