深厚砂砾石地基墙幕结合防渗体系搭接长度优化研究

摘  要：目前深厚砂砾石地基墙幕结合防渗体系普遍采用10m的经验搭接长度，本文结合新疆下坂地水利枢纽工程，采用了有限元数值模拟计算和归一化处理的方法，在防渗体系不同深度布置尺寸和搭接长度的情况下，对防渗墙的受力和位移进行计算研究分析，总结出墙幕结合防渗体系优化搭接长度的变化规律。
关键词：深厚砂砾石地基；墙幕结合；搭接长度；优化研究
    一、前沿
    近年来，随着我国西南部山区水电建设的发展，很多水利工程的兴建将面临深厚砂砾石坝基防渗的难题，墙接幕防渗体系的成功应用使这一难题得到有效解决。墙幕结合形式的防渗体，其墙与幕的搭接处理是整个防渗体施工的关键部位，尤其是在砂砾石层厚度达150m级的覆盖层中修建墙幕结合的防渗体，由于其埋藏深度大、承受水头高、地质条件复杂，一旦接头处理不当，其补救措施也很难实施，将对整个工程造成严重后果[1]。处理接头部位的一般做法是使防渗墙底部嵌入灌浆帷幕一定深度，使下部灌浆帷幕紧紧包住防渗墙底部，形成一个统一体，达到减少渗漏的目的。目前、有些学者对深厚覆盖层防渗中墙幕结合关键技术进行了研究，提出墙幕结合的搭接长度参数的确定方法：在没有理论分析依据的情况下，墙幕的搭接长度可尽量长些，以延长地下水流的渗流路径，削减渗透压力，降低渗量，满足渗透比降要求；根据工程经验,防渗墙采用嵌入帷幕的形式进行墙幕搭接，最理想的搭接长度为10 m[2]。
    但是墙幕结合防渗体系的布置型式，结构尺寸等一些技术参数的确定，由于缺少相应的规范，大多是凭借经验取得，设计上也偏于保守考虑。因此，本课题将针对墙幕结合防渗体系的搭接长度问题，结合新疆下坂地水利枢纽工程，对防渗体系在不同搭接长度下的受力和位移进行研究分析，总结出优化搭接长度的变化规律。
    二、工程概况
    下坂地水利枢纽工程位于新疆喀什地区塔什库尔干县下坂地乡附近，距塔什库尔干塔吉克自治县45公里，距喀什市315公里，距叶尔羌河干流卡群渠首190公里。下坂地枢纽工程[3]是以生态补水及春早供水为主，结合发电的大型水利枢纽工程，为Ⅱ等工程，大(2)型规模。枢纽建筑物由拦河坝、泄洪洞、引水发电系统和电站厂房等组成，拦河坝为沥青混凝土心墙砂砾石坝，最大坝高78m，正常蓄水位高程2960m，总库容8.67亿m3，电站总装机容量150MW，年发电量4.735亿KWH。
    工程坝址区河谷呈“U”形，两岸基岩裸露，山高坡陡,坝肩岩体强风化较浅，结构较完整，河床覆盖层主要是由坝址下游的哈木勒堤沟古冰川的推进和后退及“堰塞湖”的形成与溃决等因素形成的第四系冰水堆积物、冰碛物。自下而上可分为三大类型:冰碛层、砂层透镜体、冲洪积层和坡积层，渗透系数大，成分复杂，最大厚度147.95m。
    2.1材料参数的选取
    有限元模型设置了九种材料：坝体（淡红色）、沥青混凝土心墙（绿色）、混凝土防渗墙（白色）、灌浆帷幕（暗灰色）、上部漂石层（蓝色）、砂层（暗灰色）、飘块石层（土黄色）卵砾石层（亮灰色）和基岩（灰褐色），如表2-1所示。计算模型单元的划分情况以及材料分区情况见图2-1所示。该模型中各种材料参数见表5-1所示。筑坝土料、上部漂石层、砂层和卵砾石层材料采用邓肯-张模型，沥青混凝土、混凝土防渗墙、灌浆帷幕和基岩都均采用采用线弹性模型，设置防渗墙、帷幕灌浆和周围土体的接触。模型单元数为4070个，节点4207个。
    2.2计算方案和步骤
    墙接幕防渗体系搭接长度优化方案如下：
    （1）在防渗体系深度布置一定的情况下，防渗体系随搭接长度变化而变化的规律。
    （2）在搭接长度一定的情况下，防渗墙随深度布置尺寸的应力变化规律。
    （3）综合分析（1）和（2）的变化规律，探寻防渗体系优化搭接长度的布置规律。
    本作者之前针对新疆下坂地水利枢纽工程，采用目标函数优化方法，建立了以防渗体系施工工期和坝基渗流量为子目标函数的数学优化模型，结合归一化法和参数敏感性分析方法，最终优化计算得到满足安全性和经济性的防渗墙优化设计深度为65m。实际工程建造深度为85m，搭接长度为10m。因此，本次计算方案分为五种大工况，如下表2-2所示。每种大工况中又按按步长为1m，计算搭接长度从1m～14m情况下的应力和位移值。
    三、有限元计算结果
    根据墙接幕防渗体系有限元计算模型，结合搭接长度优化方案，分别将各种大工况下防渗墙的位移和应力值随搭接长度变化值用图3-1、3-2、3-3的形式展示出来。
    随着防渗墙布置深度和墙与幕搭接长度的变化，最大压应力值为21.11MP,最大拉应力值为0.3844MP满足混凝土的极限抗压和抗拉强度要求；最大水平位移为43.24cm、最大竖向位移值为5.38cm，都在监测允许范围内。它们的变化规律如下：
    （1）防渗墙布置深度在65m～80m之间时，。随着搭接长度的增加，最大压应力在总体上都是呈现逐渐减小的趋势；在搭接长度长度一定的情况下，最大压应力值随着防渗墙的布置深度的增加在逐渐增大；85m时且呈现出先增大后减小的规律，变化规律发生了变化，这就说明，随着防渗墙布置深度的增加，防渗体系的应力变化将更加复杂。
    （2）在防渗墙布置深度一定的情况下，随着搭接长度的增加，最大水平位移在总体上都是呈现逐渐增大的趋势；在搭接长度一定的情况下，最大水平位移值随着防渗墙布置深度的增加在逐渐的减小。
    （3）在防渗墙布置深度一定的情况下，随着搭接长度的增加，最大竖向位移在总体上都是呈现逐渐减小的的趋势；在搭接长度一定的情况下，最大水平位移值随着防渗墙布置深度的增加在逐渐的增加
    四、优化搭接长度计算
    根据以上墙接幕防渗体系有限元计算结果，可发现：在防渗墙布置深度一定的情况下，随着搭接长度的增加，防渗墙的最大水平位移和最大竖向位移的变化趋势刚好相反。因此，可利用数学归一化法对最大水平位移和最大竖向位移进行处理，得出了各种工况下的优化搭接长度值。新疆下坂地防渗体系的优化搭接长度值计算结果