浅析软弱地层的高坝岩基渗流场

浅析软弱地层的高坝岩基渗流场

[摘要]运用渗流理论对降低软弱地层的高坝岩基混凝土坝坝底扬压力的措施进行了研究。研究结果表明:排水是主要措施，灌浆帷幕作用不大，后者的主要作用是减小渗流量。排水孔幕的布置，缩小间距比增大孔径效果显著，孔口高程愈低效果愈好(甚至采取抽排)。本文对具有软弱层地质的高坝坝基渗流场特性进行分析并讨论其渗控方案的效果。

【关键词】软弱地层；高坝岩基渗流场；分析研究

1．前言

软土地层通常是指地基承载力达不到其上面构造物要求的承载力，或者是虽然在构造物施工时能到达到承载力的要求，但是在后期使用过程中，由于地基自身的原因或其它的因素影响，使得地基不稳，造成构造物超限沉陷或不均匀沉陷以致彻底破坏的不良地基，软土地层具有较大的破坏性。因此只要外在荷载加在土基上有可能出现有害的过大变形和强度不够等现象，都应该看作是软土地层而认真对待，并进行相应的处理。

大坝建成蓄水以后，会引起坝基渗流和两岸地下水位高并出现绕坝渗流等现象。坝体稳定性分析的目的是验证各种试验边坡轮廓形状和内部分带条件下坝体的安全系数和破坏概率，以决定或从新设计坝体结构和几何参数的。

2．研究背景

在高坝坝基中存在的强透水性软弱岩层(如断层)，对整个坝基渗流场都有很大的影响。在高水头作用下，软弱岩层将承受很大的渗透作用，地下水渗流状态排它地成为控制坝坡稳定性和污染物迁移的决定性因素。软弱地层高坝岩基渗流分析的目的有两个：一是为了估计孔隙压力，为稳定分析提供输入数据；二是为了确定渗漏损失，以预测污染潜势，需要进行非稳态、瞬态或非饱和渗流评价，非饱和渗流是在毛细作用而不是在重力梯度下发生的。在稳态重力渗流假定的条件下，确定坝内地下水位可以得到稳定性分析所必须的孔隙压力分布。确定软弱地层地下水位的最普通方法是流网分析。另外也可使用二维有限元方法对高坝坝基渗流状态进行分析的。其基本原理是:对于渗流区域内中任一单元体积，按照质量守恒原理，在很短时间内，进入单元体积的净流量和体积流量的代数和，应等同于同一期间内单元体积的质量变化。研究表明，渗流可能受其固结引起的梯度而不是重力流动引起的梯度控制。这里，坝内孔隙压力的分布必须根据固结理论确定。

3．计算成果的渗流特性分析

3.1F172断层对渗流场的影响

水力条件及其余边界条件相同状态下，将不考虑断层的情况与实际状态下的情况得出的渗流场结果进行对比分析，得出自由面地下水等值线图如图1所示。

从图1上可以看出，断层F172贯穿于中下游，上游各点水头由于断层的透水作用水头减少，说明断层区形成汇聚水流的作用，使得在此处有引起库水量下降的因素，同样由此产生的水流冲刷会引起断层整体的变形，渗透压力增加；坝基或坝肩岩体中由此出现高压水流增大扬压力的可能，使得下游渗流出口的坡降有可能超过允许渗透坡降，而造成管涌、流土等现象，导致大坝的稳定性降低，所以从实际状态下F172断层存在与否的结果对比上得出，考虑F172断层的影响是至关重要的因素。

3.2F172断层渗透性对渗流场的影响

(1)F172断层处坝基帷幕局部失效与否对渗流场的影响。图2为其设置正常时的自由面地下水位等值线图，当F172断层处的坝基帷幕局部失效的，坝基渗流量比设计工况增大约60％。帷幕后坝基扬压力比设计工况增加约6％。由此可见，帷幕对断层的封堵作用十分明显，一旦此处帷幕失效，就可使断层成为集中渗漏通道，从而使渗漏量明显增加。在高坝高水头作用下，有着明显渗透作用的F172断层，使其软弱结构面进一步变化，甚至可能产生机械潜蚀。软弱面对原位岩体的强度，变形性能，渗透性各向异性，力学上的连续性以及岩体中应力的分布等，均有显著的影响。因此确保帷幕截断F172断层，是正常防渗阻水的关键。

(2)F172断层渗透系数变化对渗流场的影响。对F172的渗透系数进行变化以进行渗透敏感性分析，这时通过坝基、右坝肩和左坝肩的渗流比设计工况分别增加了约5％、11％、1％。可见随着渗透系数的增大，坝体各部分的渗流量也增大。

4．结论与建议

4.1本工程F172断层的存在，因强透水路径的特性使得坝基岩体因为出现高压水流而增大扬压力的可能性，容易使裂隙岩体发生潜蚀、管涌，破坏岩体整体结构，降低大坝的稳定性。

4.2根据已建大坝的实测分析，两岸坝段的渗压超过设计值的颇多，其原因并非完全由上游渗水造成，而是由于施工破坏了原来的地质条件所致。为此，在坝基下布置相应的排水系统，以防止渗压升高。除帷幕后的排水孔外，在坝基面上敷设纵横排水廊道和沟管，组成网络，辅以基岩中的浅排水孔。

4.3地下水的渗压力对岩体及其结构面尤其是对软弱断层的弱化作用是影响坝基稳定最敏感的因素，在裂隙较大的岩层中，采用溜浆帷幕可有效地降低渗透压力，封堵岩石小较大的裂隙，所以在具有软弱层的工程中较大应用。

参考文献

[1] 佘成学,李长城,张晓元.吴岭水库土坝渗流及坝坡稳定性分析[J].大坝与安全.2002年02期.

[2] 柴军瑞.大坝及其周围地质体中渗流与应力场耦合分析[D].西安理工大学.2000年.