（水工结构工程专业论文）防渗墙应力变形分析及其在工程中的应用.pdf

摘要 防渗墙是一种广泛应用的、十分有效和安全可靠的土石坝防渗措施。防渗墙应 力变形分析对水利水电工程安全和经济合理性的重要影响，已越来越被人们所认识， 它已经成为水工结构设计中不可缺少的一部分。所以，合理确定混凝土防渗墙的应 力成为一个难题。长期以来防渗墙的理论分析大都采用文克尔( w i n k l e r ) 假定的 弹性地基梁等简化方法，计算假定和材料的物理力学指标选择与实际状况出入很 大，所以其计算结果很难与实际运行状况一致。本文主要研究了墙体上的水压力 荷载分布、水位动态变化过程中墙体的应力变化、墙体的应力分析方法和应力分 布规律等作为研究重点。在总结前人工作的基础上，本论文结合实际工程对土石坝 防渗墙应力变形进行了有限元计算与分析，取得的主要研究成果如下： 1 坝体和坝基选用邓肯一张双曲线本构模型，用有限元方法建立模型，采用四 结点等参单元、三结点三角形单元和四结点摩擦单元对计算剖面进行网格剖分并总结 了防渗墙计算的基本思想和计算步骤。 2 改进原有土石坝防渗墙有限元计算方法，建立更能适合土坝加固时防渗墙的有 限元计算方法。 3 结合南水北调东线工程中的双王城水库，根据不同的上下游水位差，分析了防 渗墙上下游面的水压力分布，作为防渗墙应力计算的基础。分析了不同水位下防渗墙 单元两侧表面的应力分布情况，找出了其最不利的情况。 关键词：土石坝，防渗墙，水库水位，非线性有限元分析，应力 a b s t r a c t d i a p h r a g mw a l li sw i d e l yu s e do l lt h es e e p a g ep r e v e n t i o no ft h ed a m f o u n d a t i o n t h e r e s e a r c ho fs t r e s sa n ds t r a i ni s v e r yi m p o r t a n tf o rs a f ea n de c o n o m i co fe a r t hd a m e n g i n e e r i n g h o wt od e t e r m i n et h es t r e s sd i s t r i b u t i o ni nt h ew a l li sv e r yi m p o r t a n tf o r t h e d a md e s i g n w i n k l e re l a s t i cf o u n d a t i o nb e a ma s s u m p t i o n sh a v eb e e nu s e di nt h es t r e s s a n a l y s i so ft h ed i a p h r a g mw a l lf o ral o n gt i m e b u tt h e s ea s s u m p t i o n sa r en o tp r a c t i c a l , s o i t ss o l u t i o nd o n tm a t c ht h er e a lc a s e i nt h i st h e s i s , t h ed i s t r i b u t i o no ft h ew a t e r p r e s s u r e o n t h ed i a p h r a g mw a l l ，t h es t r e s sv a r i a t i o no ft h ew a l la tt h ed i f f e r e n tw a t e rl e v e l ，t h ea n a l y s i s m e t h o da n ds t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h ew a l la r e i n v e s t i g a t e db yt a k i n g t h e s h u a h g w a n g c h e n gr e s e r v o i ra sa ne x a m p l e t h em a i na c h i e v e m e n t sa sb e l o w ： 1 t h ed l l m c a n c h a n gh y p e r b o l i cc o n s t i t u t i v em o d e li sc h o s e nt os i m u l a t et h ed a m b o d ya n di t sf o u n d a t i o n , t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e li se s t a b l i s h e d , i nw h i c ht h eq u a d r i l a t e r a l , t r i a n g u l a ra n d i n t e r f a c ee l e m e n ta r eu s e d 2 t h ea n a l y s i sm e t h o dt oc a l c u l a t et h es f f e s s e so ft h ed i a p h r a g mw a l li si m p r o v e d 3 t a k et h es h a n g w a n g c h e n gr e s e r v o i ra sa ne x a m p l e ，t h ed i s t r i b u t i o no ft h e w a t e rp r e s s u r eo nt w os i d e so ft h ed i a p h r a g mw a l li sa n a l y z e da td i f f e r e n tw a t e rt a b l eo f r e s e r v o i r , t h er e s u l t sc 8 nb c u s e dt ot h es t r e s sa n a l y s i so ft h ew a l l t h e nt h es u e s a d i s t r i b u t i o n so nt h ew a l ls u r f a c e sa l ea n a l y z e d k e yw o r d s ：e a r t hd a m ；d i a p h r a g mw a l l ：w a t e r t a b l eo fr e s e r v o i r ：n o n l i n e a rf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ：s t r e s s 独立完成与诚信声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反学术道德，学术规 范的侵权行为。文中除已经标注引用的内容外，本学位论文中不包含其他入或集体 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北水利水电学院或其它教育机构 的学位或证书所使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名：都落象 保证人( 导师) 签名： 签字日期：力d 7 3 - 签字日期：哆6 , u z 学位论文版权使用授权书 本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用学位论文的规定。特授权华北 水利水电学院可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关数据库提供检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文原件或复印件和电子文档。( 涉密的学位论文在解密 后应遵守此规定) 导师签名： 签- 7 - r j ! i i ：哆么w 彖箬 仁 ，p ，石苫 6 名 吖 签 撕 链 如 作 ： 文 期 论 日 位 字 学 签 华北水利水电学院硕士学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 防渗墙的应用越来越广泛，防渗墙技术不仅在大型工程得到应用，而且在中小型工 程中的应用也很普及；由永久工程推广到临时围堰工程，由土石坝推广到其它坝型，由 新建工程延伸到病险水库的防渗处理，由适用简单的地质条件发展到用于各种复杂地 层，由水利水电工程延伸到其它行业的建筑工程。防渗墙的应用，己远远超出了防渗的 范围，除了用于控制闸坝基础的渗流外。还用于坝体的防渗加固，泄水建筑物下游基础 的承重，地下水库的修筑等。还应用在海港、码头、地铁及城市高层建筑的基础工程中。 防渗墙材料也由混凝土发展到钢筋混凝土、塑性混凝土、固化灰浆、自凝灰浆、粉煤灰 混凝土等。防渗墙施工使用的设备、工艺都在不断进步，从而完成了许多高难度的工程 土石坝底面积大，坝基应力较小，坝身具有一定适应变形的能力，坝身断面分 区和材料的选择也具有灵活性，所以，土石坝对天然地基的强度和变形要求，以及 处理措施所达到的标准等，都可以略低于混凝土坝。但是，土石坝坝基的承载力、 强度、变形和抗渗能力等条件一般远不如混凝土坝；所以，对坝基处理的要求丝毫 也不能放松。据国外资料统计，土石坝失事约有4 0 是由于地基问题引起的，可见 土石坝坝基处理的重要性。n ， 过去建坝只是凭经验行事，其工程质量差，且建成后运行管理不善，给以后的 安全运行留下了隐患，造成了大批的病险水库。直到2 0 世纪6 0 年代初，由于大型 电子计算机的发明，才借助于有限元技术，对坝体进行系统的分析。特别是近年来， 发展了几种结构比较复杂的坝型，如有混凝土防渗墙的粘土心( 斜) 墙坝、沥青混 凝土心墙坝等，对应力和变形的分析提出了更高的要求。 垂直防渗墙技术是除险加固工程应用较为广泛，技术较为成熟的一种措施。对于防 渗墙的计算，传统的方法一般是按照土石坝的计算模型和方法进行，但是土石坝施工中 坝体和墙体同时升高，建成以后由于两者的力学特性不同，有可能出现墙体开裂( 如心 墙的拱效应) 或墙与坝体之间产生滑移的问题；此外，有的工程防渗墙和坝体施工分开 第一章绪论 进行，则建墙和建坝的先后顺序也会对坝体以及墙体的应力有影响。 在进行防渗墙体应力分析中，墙体所承受的荷载是很重要的因素，而目前对于墙体 上的水压力分布研究还不够深入，常常根据水力学基本公式进行假定。这也是造成计算 结果与实际不相符合的原因之一。 另外，研究防渗墙的关键是在于其荷载的施加方法，而以往的研究中并没有对 荷载进行深入探讨，只是把水荷载简单地施加在防渗结构面上。并且，长期以来防 渗墙的理论分析大都采用文克尔( w i n k l e r ) 假定的弹性地基梁等简化方法，计算假 定和材料的物理力学指标选择与实际状况出入很大，所以其计算结果很难与实际运 行状况一致。本文就是要把墙体水压力施加及在水位动态变化的过程中墙体的最不 利位置、墙体的应力分析方法、应力分布规律等作为研究重点。 综上所述，无论是在水利工程，还是在建筑基础工程中，防渗墙的作用都是毋庸 置疑的，因此，完善传统的防渗墙计算方法，分析其所受荷载施加情况，及其应力分布 情况是一项具有理论研究价值和实际工程应用背景的重要课题。 1 2 防渗墙的广泛应用及发展趋势 地下连续墙( 现称防渗墙) 是一种广泛应用的、十分有效和安全可靠的防渗措施。 防渗墙技术起源于欧洲，是综合了水井、石油钻井以及水下浇筑混凝土技术而发展 起来的。1 9 5 0 年前后首先在意大利、法国等国应用于砂砾石和石灰岩地基的基础处 理。最初的防渗墙处理是由桩排列而成的，接着为了建造等厚度的防渗墙又发展了 槽孔式防渗墙施工方法，成为深基础和地下构筑物施工的重要手段。与此同时，施 工工艺不断改进，形成了许多高效实用的方法。较著名的有意大利的埃尔塞( e l s e ) 法；德国的反循环法等；1 9 5 9 年日本从意大利引进伊科斯法，如以多斗、钻切削称 槽的b w 工法，以双头滚刀式成槽机成槽的t b w 工法等共有二三十种。其他各国 根据自己的需求，也都先后引进了适宜的地下连续墙技术，但欧、日至今仍领导着 这项技术的潮流。【2 i 我国防渗墙的建设始于上世纪5 0 年代末1 9 5 8 年湖北省明山水库建造了连锁管柱 防渗墙。同年在山东省青岛市月子口水库用相同的方法在砂砾石地基中首次建成了桩柱 式防渗墙。1 9 5 9 年北京密云水库创造出一套以钻劈法建造槽孔防渗墙的新方法。1 9 9 2 年建成的宝珠寺水电站左岸下游护坡防渗墙，厚1 4 m ，创我国防渗墙厚度之最。1 9 9 8 2 华北水利水电学院硕士学位论文 年建成的小浪底主坝防渗墙是迄今我国墙体材料强度最高的混凝土防渗墙。 目前我国防渗墙技术在造孔机械、施工方法、墙体材料、测孔仪和仪器埋设上以 及设计计算上均取得了一批有价值的成果。除施工机械外，我国防渗墙施工整体己 接近国际先进水平，有的工程已达到国际先进水平【2 1 。 防渗墙正朝着以下诸方面发展：( 1 ) 刚性和柔性两个方面快速发展，现在的刚 性防渗墙混凝土强度已达3 5 m p a ，很多情况还大量配筋，而柔性防渗墙其强度有时 还不到1 m p a ，但有很强的抗渗能力。( 2 ) 规模越来越大，最深达1 3 6 m ，最厚达2 8 m ， 墙身体积达几十万立方米。( 3 ) 不只用于处理深厚覆盖层和坝体渗漏，而且在软岩 和风化层也越来越多的采用防渗墙，以代替过去常用的帷幕灌浆。( 4 ) 城市建设中， 越来越多的防渗墙被用于永久性结构的一部分，能起到挡土、防水和承受垂直荷载 作用。 1 3 国内外研究现状及存在的问题 1 3 i 研究现状 从国内外许多已有的工程运行情况来看，防渗墙确实是一种较为理想的防渗设 施。坝基修建防渗墙后，基础内的渗漏得到了有效的控制，增加了坝基和坝体的稳 定性。 最早对防渗墙进行应力分析是以文克尔( 咖c r ) 1 段定【3 1 为基础，将防渗墙作为 放置于半无限弹性体上的梁，得出墙身弯矩较大，产生拉应力而断裂的结论，而且 这种拉应力大到难以用配筋的方法解决 我国上世纪7 0 年代开始用结构力学的方法对其进行应力分析，如毛家村、碧口、 柘林、丹江口、乌拉泊等工程【4 】的防渗墙进行了大量的应力原型观测研究，国外同期进 行了相似的工作，这些成果取得了完全一致的结论，即防渗墙是一受压结构。 进入上世纪8 0 年代，有限元法开始应用于防渗墙的应力分析，较结构力学模型 分析有很大改进。通过对墙体应力状态的有限元分析，得出了与原型观测结果基本 相同的结论，即墙体处于受压状态【4 l 。 美国的c l o u g h 和w o o d w a r d 首先把有限单元法用于土石坝非线性分析中【5 1 ，并 采用模拟施工逐级加载进行坝体应力计算。从此以后土石坝应力应变分析中，非线 3 第一章绪论 性有限元分析方法被广泛采用【5 】o 我国的陈慧远在1 9 8 8 年提出由非线性土体单元、线性梁单元、摩擦接触单元等 三种单元组成的有限元法【6 】并计算了瀑布沟和小浪底等土石坝及其防渗墙门，得出 坝及防渗墙是偏心受压构件以及墙与土之间和土本身的抗剪强度决定墙的竖直荷载 等结论【引。 1 9 9 7 年，河海大学岩土工程研究所的朱俊高和殷宗泽建议了一种适合混凝土材 料的椭圆抛物线双屈服面弹塑性模型【9 】，并将其应用于某土石坝混凝土防渗墙计算 比较中。结果表明：对处于低应力水平状态的混凝土。不必使用弹塑性模型；相反， 对于应力水平较高的混凝土结构，采用弹塑性模型时的计算应力比弹性模量取常量 时的计算应力小，更为合理；对于塑性混凝土，应采用弹塑性本构模型计算。 1 9 9 8 年，河海大学土木工程学院的卢延浩和成都勘测设计院的汪荣大用三维弹 塑性有限元【1 0 】计算分析了瀑布沟土石坝混凝土防渗墙的应力变形特征。指出防渗墙 的应力变形受到“边界效应”，墙顶、墙底的预留压紧量，堵、土之间的相对剪切及 廊道纵向刚度等因素的影响。 程展林在提出防渗墙的应力应变分析重点在于土与结构接触的本构规律【1 1 】。以 三峡二期围堰监测资料为依据，介绍了围堰防渗墙的应变、变形过程及规律，在假 定防渗墙为弯压结构的前提下，给出了防渗墙应交和变形的关系，从而比较全面真 实地给出了墙体典型断面的应变形式。该成果对于正确理解结构与土相互作用机理， 分析数值接触算法的合理性具有参考意义。 清华大学吕贤舟、张思聪提出越过防渗墙渗流自由面的求解方法旧，认为带有 自由面的防渗墙问题比较复杂，至今还没有较严格的求解结果。有人应用裘皮衣假 定，把剖面二维问题简化为一维问题求解，但由于防渗墙附近流向变化剧烈，所得 结果的局限性大，复变函数的保角变换方法特别适用于求解此问题。 清华大学的介玉新、高波和李广信提出利用无单元法来求解堤坝防渗墙应力 【1 3 l 。他们认为防渗墙的几何形状为薄长条形，用常规的有限元法进行计算，存在单 元长宽比例过大问题，为此将有限元和无限元法结合起来应用于堤坝及其防渗墙的 分析。 4 华北水利水电学院硕士学位论文 1 3 2 存在的问题 防渗墙除了用于控制闸坝基础的渗流外【堋，还用于坝体的防渗加固，泄水建筑物下 游基础的承重，地下水库的修筑等。于是随着防渗墙的广泛应用，已出现了相关问题。 土石坝的计算模型和方法进行，但是土石坝施工中坝体和墙体同时升高，建成以后 由于两者的力学特性不同，有可能出现墙体开裂( 如心墙的拱效应) 或墙与坝体之间产生 滑移的问题；此外，有的工程防渗墙和坝体施工分开进行，则建墙和建坝的先后顺序也 会对坝体以及墙体的应力有影响。 在进行防渗墙体应力分析中，墙体所承受的荷载是很重要的因素，而目前对于墙体 上的水压力分布研究还不够深入，常常根据水力学基本公式进行假定。这也是造成计算 结果与实际不相符合的原因之一。 综上所述，研究防渗墙的关键之一是在于其荷载的施加方法，而以往的研究中 并没有对荷载进行深入探讨，只是把水荷载简单地施加在防渗结构面上。本文把墙 体水压力施加及在水位动态变化的过程中墙体的最不利位置、墙体的应力分析方法、 应力分布规律等作为研究重点。 1 4 本文的主要工作 1 、总结了防渗墙上荷载的类型及其组成，重点考虑墙的水平荷载，即墙两侧所受 的上下游水压力，确定渗透水压力施加在防渗墙上的分布形状，作为后面应力计算的基 础。 2 、根据不同的蓄水高程，找出最不利的受力状态。 分析防渗墙单元上下游面上的应力情况，比较了在不同水位下，渗透压力作用在防 渗墙上产生的拉压应力，比较分析防渗墙的应力情况及其所受力的最不利情况。 3 、对原有土石坝防渗墙有限元计算方法进行改进，建立更能适应土坝地基加固时 防渗墙的有限元计算方法。 4 、将上述研究成果应用于南水北调东线一期工程济南一引黄济青段双王城水库。研 究了防渗墙墙体的应力变形等问题，为该工程防渗墙的设计和施工提出建议。 5 第- 二章防渗墙技术及j e 设计方法 2 1 防渗墙技术 第二章防渗墙技术及其设计方法 2 1 1 防渗墙分类及工程中的应用 防渗墙工艺方法有多种多样，可以运用于不同性质的工程中。已经在工程中应用工 艺方法有： ( 1 ) 按成墙方式可分为：桩排式、槽板式、组合式i ( 2 ) 按墙体材料分为：钢筋混凝土墙、塑性混凝土墙、固化灰浆墙、自硬泥浆墙、 泥浆槽墙( 回填砾石、粘土和水泥三合土) 、后张预应力地下连续墙、钢制地下连续墙。 ( 3 ) 按墙的用途可分为：防渗墙、临时挡土墙、永久挡土承重墙；作为基础用的 地下连续墙。 ( 4 ) 按开挖情况可分为：地下连续墙( 开挖) 、地下防渗墙( 部开挖) 。【1 4 】 防渗墙技术最初应用于砂砾石地层中房建基础处理，随后成为深基础和地下构筑物 施工的重要手段，历经多年实践和探索，该项技术主要应用于：心墙土坝坝基防渗处理、 斜墙土坝坝基防渗处理，混凝土闸坝基础防渗处理、病险坝加固处理、土石围堰堰体及 闸基防渗处理、城市地下构筑物的基础处理等【1 5 l 。 2 1 2 防渗墙的作用技术原理浅析 防渗墙是利用各种挖槽机械借助于泥浆的护壁作用，在地下挖出窄而深的沟槽，并 在其内浇筑适当的材料而形成一道具有防渗功能的地下连续墙。防渗墙的施工步骤及技 术原理有： ( 1 ) 冲击钻进 通过钻头向下的冲击运动破碎坝土、砾石、卵石、漂石和基岩。常用的钢绳冲击钻 钻具的重量为1 0 0 0 k g 或1 3 0 0 k g ，钻进深度为1 2 0 m 或1 5 0 m 。通过钻头的冲击作用成槽， 同时对槽孔两壁的松散层挤压、密实作用。 ( 2 ) 泥浆固壁 华北水利水电学院硕l 学位论文 松散的地基中挖出一条窄而深的长槽，由于泥浆的作用是槽孔保持稳定而不塌陷的 原因有：泥浆的渗透作用，由于地基和坝土中存在孔隙，导致槽孔中泥浆向周围地基 或坝土中渗透，泥浆在孔隙中凝结后，可提高坝土或松散地层的抗剪强度；泥皮对槽 孔的影响，由于泥浆失水和混入粘土及盐类而在孔壁上形成泥皮，大大增加槽孔的稳定 性，同时防止泥浆漏失；静夜压力作用，槽孔内的液浆面通常高出地下水位，切泥浆 比重长大于水的比重，泥浆对静液压力比地下水压力大，对槽壁起支护作用。 ( 3 ) 水下混凝土浇筑 防渗墙的混凝土是靠导管内混凝土与外浆面之间的压力差和混凝土本身的良好的 和易性和流动性，不断填满原来被泥浆填满的空间，而形成地下连续防渗墙。 ( 4 ) 联合防渗作用 在冲击钻造孔成槽过程中，钻头对周围土体的挤压，密实作用，泥浆形成泥皮以及 渗入松散坝土、地基中的泥浆凝结，三者共同起到防渗作用【圳。 2 1 3 防渗墙在不同地质条件下应用 防渗墙通常都要穿过松散覆盖层和较破碎基岩，直至较完整基岩。在勘探工作中弄 清楚松散覆盖层的厚度，层位及分布，透水性以及基岩顶部的风化程度透水性就显得很 必要。 防渗墙在玄武岩、花岗岩中入岩深度最深达3 6 2 9 m ，在粉砂岩、自云岩夹泥质粉砂 岩中入岩深度达踮1 2 5 m ，在板岩、石英岩、砂质板岩中最大入岩深度达4 0 m 。这与各 种岩石风化程度也是相一致的，即火成岩、玄武岩柱状节理发育。风化强烈，风化带较 厚，入岩深度较深；沉积岩风化次之，风化带较薄，入岩深度次之；变质岩风化微弱， 风化带最薄，入岩深度也最浅 松散覆盖层通常较不均匀，工程中还常遇到双层结构地基和多层结构和地基，这些 地积累性，对地基的渗透稳定性和结构应力情况都有很大的影响。对于表面有相对不透 覆盖，下层为透水性较强的砂卵砾石层，在不透水层面积已造成较高承压水头，可能引 起流土现象。另外不同土层交界处常产生较大弯矩，尤其不同层的弹性模量存在较大差 异时。勘探时在深覆盖地基层中应适当加密勘探孔，弄清各层的厚度、分布。冲积层往 往具有三向不均一性，必要时还需做若干个剖面，并将其纵横联系起来。渗透系数是防 渗设计的重要指标，可通过野外钻孔中做注水试验、抽水试验或室内试验加以确定。洪 9 第二章防渗堵技术及其设计方法 水冲击层是否存在弧石会影响造孔方式，且在造孔过程中找到一条较为准确的基岩面 线，钻孔应适当加密。 基岩表层的透水性也应做为勘探重点，因为防渗墙入岩深度除了考虑基岩的完整性 外，透水性也是重要指标。例如毛家村水库坝基基岩为玄武岩，表层l o m 虽较坚硬，但 节理裂隙发育，某些地段单位透水率仍大于1 0 1 u 。勘探时针对基岩表层做压水试验对应 减小段长，增加段次，避免因止不住水将下部基岩与上部基岩综合为一段，而反映不出 基岩表层的透水性。 2 2 防渗墙设计方法介绍 2 2 1 防渗墙设计基本资料 防渗墙设计需要的基本资料有： ( 1 ) 坝体或围堰的剖面及平面图； ( 2 ) 坝体或围堰不同运行工况下的上下游水位资料； ( 3 ) 坝体或围堰填料的物理力学指标、渗透系数及允许渗透比降； ( 4 ) 坝基覆盖层的地质剖面，坝基地层的物理力学指标、渗透系数及允许渗透比 降； ( 5 ) 基岩的风化程度、物理力学指标、透水率等； ( 6 ) 地下水水位及水质分析资料； ( 7 ) 枢纽工程环境保护要求； ( 8 ) 枢纽工程附近混凝土主材及粘土、膨润土料源情况； ( 9 ) 其它有关资料。 2 2 2 防渗墙的平面布置 防渗墙应用于坝基防渗时，墙体与大坝防渗体相连接，故其轴线一般随大坝防渗体 的轴线进行布蜃。坝体或堰体中的防渗墙，一般在坝轴线附近布置。 平面上为避开不良地址条件或其它原因，防渗墙轴线可布置成折线或曲线型，但直 线布置是最经济的。 1 0 华北水利水电学院硕上学位论文 2 2 3 防渗墙的剖面设计 不管是布置在坝基中的防渗墙，还是坝体或堰体中的防渗墙，均可设计成封闭式或 悬挂式。 封闭式防渗墙是指墙体插入到基岩或相对不透水层一定深度。这种布置可完全截断 透水地基的渗流，而悬挂式只能增加渗径，无法完全封闭【切。 水头高的坝体或堰体，有时布置两道防渗墙，这两道墙共同作用，按一定比例分担 水头。这种布置一定要使水头分配合理，避免造成单道墙水头过大而破坏，一旦出现这 种情况则另一道墙也会很危险。 为节省投资和施工方便，当坝体或堰体施工到一定高度时再建造防渗培，然后上接 造价低廉的防渗体。有的防渗墙则直接在坝顶或堰顶施工，但不浇注到顶。 在严寒地区设计防渗墙，在顶部冻土层以上可不浇注混凝土，回填粘土或采用其它 防渗形式。 2 2 4 防渗墙与建筑物的连接 ( 1 ) 防渗墙与顶部防渗体的结合 防渗墙上部心墙或斜墙相接时，一要避免产生集中渗漏，二要注意两种材料的不均 匀变形。 为增加接触渗径的长度，防渗墙一般伸入心墙或斜墙的长度在坝前设计水头的 1 5 - 1 1 0 左右伸入墙体部分可成y 字形或活塞形式等。 伸入心墙或斜墙的防渗墙项部可采用现浇方式，与旧混凝土之间的冷缝要冲洗凿毛 或制作键槽，也有加止水和插筋的。 当墙顶有灌浆或检查廊道时，墙顶和廊道间的处理更复杂一些。一般是将墙插入廊 道底板，两侧回填塑性材料。 土工膜是近年来推广的一种施工简单、造价低廉的防渗型式。防渗墙也经常上接土 工膜防渗，二者的联结形式主要有埋入式或锚固式。 ( 2 ) 防渗墙的入岩深度 应该从防渗和结构两方面的要求来考虑墙底入岩深度。防渗墙嵌入新鲜完整的基 岩，一般为0 3 1 2 m 。嵌入岩基太深，对防渗墙虽有好处，但给施工带来很大困难，同 时增加了岩基对墙体的约束，这对墙体应力并不利。 第二章防渗墙技术及其设计方法 对于风化程度高，裂隙发育的岩石，一种是穿过破碎岩石伸入新鲜岩基，另一种则 是伸入一定深度后下接帷幕灌浆进行处理。近年来的工程实践表明，设计越来越趋于防 渗墙本身的柔性化，墙底约束程度也趋于减弱。 ( 3 ) ，防渗墙与高喷帷幕的连接 有时，坝基的防渗结构，一部分采用混凝土防渗墙，相邻部分采用高喷灌浆帷幕。 防渗墙与高喷射灌浆帷幕连接时可采用搭接式或插入式，其搭接长度为3 - 8 m 。 ( 4 ) 防渗墙与岸坡的连接 对于深部岩体，无论两岸的坡度怎样，都可以采用墙体入岩的方式进行连接。在岩 体埋藏较浅的部位，可通过明挖，采用混凝土齿墙来进行处理。 ( 5 ) 防渗墙与建筑物的连接 防渗墙与混凝土建筑物连接时可预留槽孔位置，防渗墙槽孔施工完毕后将预留孔作 端孔处理，进行刷洗后浇筑混凝。液压铣或铲斗施工的防渗墙也可预留成矩形。 ( 6 ) 防渗墙拐点处的处理 对于水头较高，工程比较重要的情况，防渗墙的拐点可能造成较大的应力集中，需 进行局部加固，可采用旋喷桩或混凝土桩支顶，也可施工短墙支撑。 2 3 防渗墙的渗透计算 2 3 i 防渗墙计算的目的及基本原理 防渗墙作为建筑物或其低级的一部分，其渗透计算往往是与建筑物一起计算的。通 过计算应达到：确定土石坝或围堰的坝体浸润线及下游逸出点位置，为核定坝坡稳 定提供材料；计算坝体或坝基渗流量，估算渗漏损失或下游排水量：确定平均渗 透坡降、局部渗透坡降，验算发生渗透破坏的可能性。 不管防渗墙是作为建筑物地基的防渗手段，还是作为土石坝坝体或施工围堰的防渗 体，其渗漏计算实际上是一个空间问题，尤其是坝体有多种填料，地基有多种地层组成 时，理论计算非常复杂，一般可应用流体力学法、水力学法、图解法以及试验法四种。 ( i ) 流体力学法 假定渗流处于层流状态，服从达西定律 o = k i a ( 2 1 ) 华北水利水电学院硕l 学位论文 式中q 一渗流量； a 一士体水流断面i k 一土的渗透系数 卜水力坡降。 同时还满足连续方程，渗流场中任一点的势函数满足拉普拉斯方程。 采用流体力学法求数值解，一般都近似地作为平面问题来分析，但由于实际工程的 边界条件很复杂，只有少数情况才能直接求解，通常采用差分法和有限单元法进行数值 解。 ( 2 ) 水力学法 为了计算简便，经常采用水力学法的解答。水力学解法依然采用达西定律，并假定 任一铅直过水断面上各点渗流坡降均相等，即全断面的平均流速v 为 y = k ( d n 搬) ( 2 2 ) 式中h 铅直过水断面上的渗流深度； s _ 沿渗流水面的长度。 通过这一假定，并将渗流近似作为平面问题后，计算便大大简化。但水力学法不能 得出任一点的渗流要素，只能得出平均渗流要素值。水力学法的基本假定并不完全符合 实际的流线和边界条件，计算结果有较大误差，通常在不很重要的工程或初步研究阶段 采用。对于重要的工程或需要解任意点的渗流要素时，采用电流试验法和有限单元法进 行补充、验证和深入研究1 1 8 1 。 ( 3 ) 图解法与电拟法 在计算的同时，一般工程都采用绘制流网的方法来解决渗流问题，用流网可以求出 任一点的渗压、渗流坡降，渗流流速以及渗流量。用电拟法绘制流网，方法简便而实用， 其基本原理是用电场中的电流要素来模拟渗流场中的渗流要素，这也是工程设计中经常 采用的方法【1 9 】。 2 3 2 封闭式防渗墙的渗透计算 当土石坝直接坐落到基岩上，或透水地基较浅时，防渗墙往往深入到基岩或相对不 透水层一定深度，将渗流完全截断。对于简单的渗流边界，可用水力学解法求得数值解； 深入研究辅咀流网法、电拟法1 1 川；重要工程在复杂条件下采用有限单元法。 第二章荫渗墙技术及其设计方法 ( 1 ) 不透水地基上的土石坝和防渗墙的渗透计算 这种情况主要是指岩基上的土石坝需要采用防渗墙加固时，防渗墙的渗透系数很 小，渗透通过墙体后水头损失较大，浸润线形成很大的跌落。 近似假设的浸润线逸出点即为下游水面与堆石边坡交点，忽略上游坝体产生的水头 损失，则通过防渗墙的渗流量为： q 1 = k - h 2 ) 2 d ( 2 3 ) 下游坝段的渗流量为： q ：= k 0 2 - h 2 y 2 l ( 2 4 ) 根据渗流连续条件，坝体渗流量为： q = 吼= q 2 ( 2 5 ) 一般的防渗墙深入较新鲜岩石或墙下风化岩石进行帷幕灌浆的处理，渗流在墙下基 岩表面的渗流可忽略不计 联立求解上述三式，可求出渗流量q 及防渗墙下游的浸润线高度h 。下游坝体平均 坡降则为： ，= o 一日：) 工 ( 2 6 ) 防渗墙承担水头为 h = 甄一h ( 2 7 ) 2 3 3 悬挂式防渗墙的渗透计算 当透水地基较厚，防渗墙可不必坐落到基岩或相对不透水地基上，成为悬挂式防渗 墙。此时，由于边界条件复杂，水力学法求解比较困难，通常采用流网法、电拟法来计 算，也可采用流体力学法利用差分法或有限单元法进行计算。如将上部坝体与上部交线 视为不透水边界，可近似求出悬挂防渗墙的深度。 莱茵根据许多工程的统计资料，认为水平渗径的防渗效果仅为垂直渗径防渗效果的 1 3 ，地下轮廓应为： l - 2 x l ，+ l ；，- c o 。一h ：) ( 2 8 ) 式中c d 莱因系数 1 4 华北水利水电学院硕士学位论文 、分别为垂直、水平渗径。 防渗墙的深度可初步确定为： s e c o ( h i - h ：) 一也+ l ：) ( 2 9 ) 用上述方法仅能确定地基渗透所需的最小渗径和防渗墙的最小深度，预求其它其它 渗流要素，还需采用其他方法【2 0 1 表2 - - 1 莱茵系数表 f i 蛇- 1 i n f i c i 伽协o fh y m 编号坝基土类 e l 极细的砂、淤泥- 8 5 2 细砂 7 0 3中细砂6 0 4粗砂5 6 5 细砾石 4 o 6 中砾石 3 5 2 4 防渗墙的结构分析 编号坝基土类 c 7含砾石的粗砂 3 o 8 软黏土3 0 9 含卵石和砾石的漂石2 5 1 0中等密实黏土2 - o 1 1密实黏土1 8 1 2 极密实黏土1 6 防渗墙的结构分析的目的是确定墙体厚度及其与地基连接的形式。墙体厚的主要由 防渗要求、抗渗耐久性、墙体应力和变形以及施工设备等因素确定，其中最重要的是抗 渗耐久性和结构强度两因素。 2 4 1 应使防渗墙具有足够抗渗性 防渗墙在渗透作用下。其耐久性取决于机械力侵蚀和化学溶蚀作用，由于这两种侵 蚀破坏作用都与水力梯度密切相关，因此目前在防渗墙设计中是根据防渗墙破坏时的水 力梯度来确定防渗墙厚度d 的，即 d = h | jpq 1 0 ) j r = - ，。k( 2 1 1 ) 第二章防渗墙技术及其设计方法 式中防渗墙允许水力梯度； ，。防渗墙破坏时的最大水力梯度； k 安全系数 混凝土的以可达8 0 - 1 0 0 ，当墙体材料采用塑性混凝土时，其抗化学溶蚀的能力是 较强的。根据德国的贝伊尔和斯特罗伯测得的塑性混凝土抗化学溶蚀破坏的水力梯度为 3 0 0 ，国内的试验表明，配合比合适的塑性混凝土抗机械破坏的水力梯度也可超过3 0 0 。 如果采取和普通混凝土一样的安全系数k = 5 ，则塑性混凝土的允许水力梯度与，。可取 为6 0 。目前国外确定塑性混凝土防渗墙厚度多采用，。= 5 0 6 0 1 2 0 1 。 2 4 2 应保证防渗墙有足够的强度 为了确定防渗墙的强度安全储备，必须根据其工作条件进行结构计算。 防渗墙的上下左右为围土或围岩，一般其上部及上下游为坝体或围堰的填土或覆盖 层，下部及左右端为覆盖层或基岩。作用在防渗墙上的荷载有墙的自重和墙上部土的重 力、上下游的水压力和土压力、在地震时还有地震力根据防渗墙的结构型式和工作条 件，主要可归纳为三种受力状态： 第一种，高心墙土石坝下覆盖层中的防渗墙，其主要荷载是墙体承受上部心墙土体 传来的巨大荷载及水压力，主要受力荷载是偏心受压，防渗墙会承受很大的压应力。 第二种，斜墙下的防渗墙或土石坝的补墙、施工围堰等工程的防渗墙，这时上部土 体的压重不占主要地位，而静水压力起着主要作用，主要受力作用是弯曲作用。这时防 渗墙嵌入基岩深度和方式对墙体应力状态有重要的影响。由于墙身很薄，惯性矩小，会 产生很大的拉应力。 第三种，则是上述两种状态下受地震荷载的情况。 防渗墙的应力状态还和施工与蓄水过程有关，当防渗墙上下游围土因受上部坝体巨 大荷重而产生沉降时，先期建造的防渗墙两侧将产生向下的剪力，会使墙体承受远比墙 顶荷载及墙身自重大很多的压力。此时，又和防渗墙体的材料有关，当墙体材料的弹性 模量远大于围土的弹性模量时，由于墙体的沉降与围土沉降有很大的沉降差，从而导致 墙体承受很大压应力。如加拿大马克尼3 号坝的混凝土防渗墙，在1 0 8 m 高土坝荷重作 用下，经观测坝顶只压缩了3 1 4 c m ，而覆盖层最大沉降量却达1 5 0 1 8 0 c m ，墙内应力超 华北水利水电学院硕上学位论文 过2 6 m p a ，经过对防渗墙短柱桩的变形分析确认，自1 9 7 4 年1 1 月后，由于垂直应力超 过混凝土的强度而将桩压碎。 防渗墙的应力状态还和墙体材料有关，特别是墙体材料的变形模量有关。如上所述， 当墙体与围土的变形不能相适应，并产生较大差异时，会引起墙体内部极为不利的应力 状态，导致混凝土防渗堵因压力过大而压碎，或者因拉应力或剪应力过大而拉裂或剪坏， 进而减低了防渗墙的防渗效果及其耐久性。若采用和围土变形模量较为接近塑性混凝土 材料会使防渗墙的应力状态有本质的改变。 防渗墙两边有泥浆固壁形成的泥皮，在一定程度上可减小围土与墙身之间的摩擦 力，其摩擦系数在考虑墙面不平整后可假定为0 2 左右，在进行防渗墙的结构分析时， 应考虑泥皮的作用。 2 5 防渗墙的设计方法及其评价 置于坝体透水材料中的混凝土防渗墙，与一般挡土墙，水平弹性地基梁，地下结构 的侧墙比较，具有一些不同的特点，结构分析中的困难，主要是： ( 1 ) 墙身材料和坝体土的各项力学性质和指标，很难准确地测定，特别是坝体填料 的非匀质性和各向异性，应力和应变的非线性，使计算工作较为复杂； ( 2 ) 墙受力后，坝体的变形又将影响其变形和应力。合理的计算方法必须将防渗墙、 地基、坝体三者视为一整体，用变形协调将三者互相联系起来，而坝体本身的应力和应 变也系非线性，这使计算的工作量十分浩大 ( 3 ) 施工的方法和旌工的程序与结构分析有着密切的联系，填坝的不同阶段直到蓄 水以后，均影响墙的应力状况，较准确的计算，必须计及施工不同阶段应力情况的影响 此外，在施工过程中，常使墙背成为凸凹不平的表面，墙与地基之间常存在薄层的 夹泥，造孔泥浆对地层渗入的影响，以及冲击钻对地层冲击挤压作用等等因素的影响， 也很难在分析中合理计及。因此，防渗墙的结构分析，还是一个未完满解决的问题。 鉴于上述，目前国内各工程的设计，常采用一些简化的近似计算方法，这些方法可 分为： 1 、弹性地基上半无限长梁法 我国早期修建的月子口、密云等工程防渗墙的结构计算，采用的结构计算模式特点 是将防渗墙、地基和坝体分割开考虑，并引入下述简化规定： 1 7 第二章防渗墙技术及其设计方法 1 ) 荷载作用后，靠在地基的土壤上，地基与墙体之间的变形协调关系，采用文克 尔假定，即墙上各点的反力与地基在该点的变位成正比，并假定地基反力系数不随深度 变化； 2 ) 坝体自重与水压力，均视为作用于墙上的外荷载，土压力上、下游均采用主动 土压力，用库仑公式计算，土压力差与水压力差均呈均匀分布； 单宽等厚度墙作为计算简图，顶端视为自由端，底部视嵌入基岩情况分别视为铰结、 固结和摩擦滑缝等。 采用上述假定，使防渗墙的结构分析，简化为所熟知的文克尔地基梁的求解问题， 由于墙身薄而长，一般均属半无限长梁【2 ，使计算公式大为简化，而且可利用形成的公 式和表格，计算十分方便。此法的缺点是假定地基为匀质，局限性较大，对于双层结构 地基及多层地基，计算成果不能反映防渗墙实际受力的情况。即使地基属均匀介质，根 据砂砾地基的特点，它是由松散介质沉积而成，地基沿深度变化规律也不是一个常数。 同时，假定土压力分布上、下游均属主动状态，虽计算成果误差不是很大，偏于安全方 面，但从理论上分析，这种情况是不可能存在的，因为主动土压力是土体一种极限平衡 状态，只当防渗墙有显著位移时才能成立，而防渗墙系深埋于土中结构物，相对刚度较 大，变形小，与静止土压力状态更为接近。此外，此法在应力计算中，也没有分析各种 竖向垂直力的作用与影响，因而所得的应力成果不很准确。 云南某土坝等工程方法：此法在研究月予口、密云等工程计算方法的基础上，对下 述问题作了进一步的改进： 防渗墙与地基之间的关系，仍采用文克尔假定，但对于地基系数的选取考虑了地基 系数随深度直线变化以及随不同地层而变化； 在荷载计算方面，除考虑水平水压力和土压力外，还考虑了竖向垂直压力作用的影 响。竖向力包括防渗墙顶部土压力、水压力、防渗墙自重、渗透水流上托力以及防渗墙 两侧土壤介质不均匀沉陷所产生附加压力的影响等等； 在计算方法上，对于匀质地基，考虑反力随深度直线变化以后，用有限差分法求解。 对于多层结构地基，用弹性地基阶形梁的原理，推导出适用多层介质地基结构计算的一 次分配法。对于双层结构地基，视层次厚度的大小，既可用差分法，也可用一次分配法。 公式推导中，考虑不同荷裁作用和不同边界条件情况的解答，既适合于等厚度墙的计算， 也适合于变厚度墙的计算。 此法较突出的特点是考虑地基反力系数随深度直线变化和随不同层次而变化，因而 1 8 华北水利水电学院硕上学位论文 比较符合实际情况。地基反力系数视为常数的假定，这是我国学者张有龄在三十年前研 究桩柱的结构计算时提出的，过去在日本曾较普通采用，但近几年来采用已较少，这主 要是地基反力系数假定为一常数后，会得出地面处反力最大的不合理现象。同时根据许 多桩柱试验证明，地基反力系数沿深度变化规律不是常数，我国铁路和公路部门曾做过 不少研究，证明地基反力系数沿深度成直线增长的变化规律，较符合一般土的实际情况 圈。 此法的另一特点是考虑竖向力作用的影响，坚向力对纵曲影响不大，在计算中可以 忽略不计，但对应力成果影响很大，防渗墙墙侧土壤介质不均匀沉陷产生附加压力的影 响常很可观，致使对墙身产生较大的压应力，附加压力的反作用又使墙顶土体产生较大 的应力集中，可能出现塑性变形区。目前国内外一些心墙式坝设计上常于坝顶专门设置 塑性土料区，正是为了调整不均匀沉陷差所造成附加压力的影响，这方面的近似分析尽 管还不很完善，但也是有实际意义的。 弹性地基上无限长梁方法存在下面一些问题： ( 1 ) 在计算理论上采用文克尔假定是有缺陷的。文克尔假定将地基视为一系列不相 联系的弹簧，地基反力只与该点的弹簧变位有关，与其它弹簧无关，这与实际情况是有 出入的，但引起的误差可能不大，工程设计上仍可应用，这从我国铁路、公路等部门所 做很多桩柱的研究和试验看出，采用文克尔假定并考虑地基反力系数随深度直线变化还 是比较符合实际情况的。文克尔假定的另一问题是如何取地基反力系数七0 值，此间题也 未完善解决。当缺乏可靠试验资料时，建议参考有关文献及一些工程经验选取，今后还 应通过原型观察资料或用较精确的有限单元法计算成果反求知值来解决，这方面的经验 和资料有待进一步积累。 ( 2 ) 在荷裁计算方面，云南某土坝也采用均匀水压力和主动土压力的假定，这在理 论上也是欠妥的，土压力较符合静态规律，其理由已如上述。在计算防渗墙伸入心墙部 位的水压力时，考虑水头沿渗径而衰减的意见也是合适的。通过电拟试验证实，水压力 在粘土段内是沿渗径而哀减，该处水压力为不均匀分布。 ( 3 ) 关于地基反力系数的选取，云南某土坝曾根据地基表层试坑的载荷试验近似估 算岛值，由于没有考虑坝荷作用所增加侧压力的影响，该值是偏低的。康景俊等同志收 集和分析一些地基变形模量随侧压力的增加而增长的资料，提出设计采用值应考虑侧压 力的影响的意见是比较合理的。 此外，在计算方法上，有些设计单位采用角变位移法以及初参数法等，这与一次分 1 9 第二章防渗墙技术及其设计方法 配法并无质的差别，但却使计算方法多样化。 此法在云南某土坝首先应用后，其它