实际工程防渗墙体渗透性能数值分析

1）工程概况及场地工程地质条件

江苏省某生活垃圾填埋项目垂直防渗工程，通过三重管高压旋喷法进行垂直防渗墙施工，采用PBFC防渗浆材，浆材配方见表8.1。垃圾场周长2 000 m，垃圾设计堆埋深度为14 m，工程设计库容约210万m3，防渗墙周长为1 300 m，墙厚为1 m，墙深为15 m。

该垃圾场工程位于长三角平原区域，区域内平原可分为5个地貌单元。工程选址范围内地面标高为5.34～5.84 m，地形较为平坦，区域内地质构造较稳定，无不良地质活动；场地区域较稳定，属相对稳定区；土层分布相对均匀，适宜垃圾填埋场建设。取场地垂直范围20 m深的地层进行有限元计算分析，该范围内各地层的地质条件见表8.4。

表8.4　场地工程地质条件

勘探实测上层滞水初见水位埋深1.53～2.08 m（平均值1.80 m）、标高3.88～4.40 m（平均值4.12 m）、稳定水位埋深1.36～1.95 m（平均值1.60 m）、标高4.05～4.44 m（平均值4.27 m），历史最高地下水位埋深0.50 m。

2）计算参数及数值模型确定

（1）材料参数

在使用有限元软件分析时需要输入各材料的参数如压缩模量、渗透系数、含水量等，根据当地的工程概况及勘察报告按不同土层的分布情况分别整理出各土层的性能指标见表8.5。由于土层分布较均匀，为便于建模，将土层厚度取平均值。其中防渗墙各项参数由室内实验测得。

表8.5　垃圾填埋场各地层物理力学性能指标

（2）模型建立

防渗墙高15 m，墙厚1 m。该工程选址处土层分布较均匀，因此在建模时可使用矩形区域模拟实际土层，场内填土坡度i=1∶0.5。选取垃圾填埋场未启动导排措施且积蓄大量渗滤液的状态进行模拟分析。在建立模型时选取防渗墙周围的部分土体区域分析，模型整体尺寸取水平30 m，竖直20 m；垃圾填埋场深取14 m，此时渗滤液蓄至填埋场设计堆埋深度约2/3处（渗滤液深约10 m）。

建立模型计算简图后，进行网格划分及边界条件确定。网格划分类型采用四边形（或三角形）网格模式，网格划分如图8.22所示。全局网格尺寸选择0.3 m；防渗墙的网格尺寸采用精细化划分，网格单元尺寸取0.1 m。对需要着重分析的部位加密处理可以有效提升计算精度并提高计算准确性。渗流计算选取水头高度作为边界条件，得到的计算结果为渗流量。在渗流分析中流速水头设为0，因此左右边界条件分别设为渗滤液水头及地下水头，下边界设为不透水边界，上边界设为自由渗透边界，具体条件设置见表8.6。

（3）分析类型

采用SEEP/W模块对土体及防渗墙进行分析，可以模拟出浸润线及渗流场。饱和模型适用于土层材料总是在水位线以下的情况，而在实际工程中渗流主要存在于浸润线以下的部分，而在浸润线以上则几乎没有渗流产生，因此使用饱和/非饱和渗流本构模型可以经过迭代后最终确定饱和区及非饱和区的位置，得出的结果更符合实际。当选用饱和/非饱和模型时需要输入材料的体积含水量和渗透系数随基质吸力变化的关系，可通过有限元软件自带的函数来估计土水特征曲线与渗透系数函数。

图8.22　模型简图及网格划分

表8.6　网格划分及边界条件

土水特征曲线函数类型选取体积含水量-数据点函数，估计方法使用软件提供的样本函数；渗透系数函数类型选取渗透系数-数据点函数，估计方法选择Frellund & Xing方法，该方法在全基质吸力下均可使用。使用该方法需要得到拟合参数α，n，m的数据，这些数据可由软件通过对输入的渗透系数的数据进行拟合而得出。

渗透系数取4.6×10-10 m/s，防渗墙的土水特征曲线与渗透系数函数曲线如图8.23、图8.24所示。

图8.23　防渗墙土水特征曲线

图8.24　防渗墙渗透系数函数

由图8.23可知，随着基质吸力的增大，防渗墙的含水量开始时变化平缓，当基质吸力达到一定大小时快速下降；渗透系数也表现出相似的规律，这种变化规律表明防渗墙内部孔径分布较均匀且以孔隙为主。因为细微孔隙中的水分需要基质吸力加载到一定程度时才会释出，所以开始时含水量随基质吸力增大而减小，缓慢说明防渗墙具有较好的防渗性能。水土特征曲线及渗透系数函数的控制方程分别为：(www.xing528.com)

式中　C（φ）=

φ——基质吸力；

α，n，m——拟合参数。

式中　Ks——饱和渗透系数；

θ——土体含水量；

ψ——负孔隙水压力；

j——负孔隙水压力最小值；

N——负孔隙水压力最大值；

y——虚拟变量。

3）分析结果

（1）渗透速度分析

防渗墙两侧的渗透速度如图8.25所示，渗透速度随墙高的增加先增大后减小。结合渗流矢量分布情况，渗透速度在0～6 m处增加是由于基坑底部水压较大使得渗流路径在防渗墙底部聚集，垃圾场底层及内坡因渗透系数很小对渗滤液也起到了阻滞作用，从而导致渗透水流集中在墙高6 m的范围内，在实际工程中应对防渗墙底部防渗重点关注。

图8.25　防渗墙面渗透速度

防渗墙近水面与远水面的渗透速度曲线对比显示，两者速度在墙高0～4 m与10 m以上的部分大小相近，而在4～10 m处远水面渗透速度明显大于近水面，渗透速度最多可降低17.6%。由于底部的黏土层可视作不透水层，因此在墙高0～4 m时防渗墙两侧渗透速度相差不大；浸润线高程在墙高10 m附近，而浸润线以上的部分几乎没有渗透的产生，因此防渗墙两侧渗透速度也几乎无差别；在墙高4～10 m处的粉质黏土夹黏质粉土层渗透系数较大无法减缓渗透液的渗透速度，渗滤液的渗透速度在经过防渗墙对渗滤液的阻滞作用之后明显降低，说明防渗墙可以有效降低渗滤液的渗透速度。

（2）渗透比降及孔隙水压力

水头云图及孔隙水压力云图如图8.26、图8.27所示，渗透比降如图8.28所示。单宽流量截面渗透量为2.10×10-7 m3/s。由于防渗墙的作用，高水头区域主要集中在垃圾填埋场内坡，而防渗墙外部土体水头较低，沿渗流矢量的方向水头等势线逐渐降低；渗流矢量显示，渗径主要集中在防渗墙底部。防渗墙对孔隙水压力的分布也产生一定的影响，孔隙水压力等势线在穿过防渗墙后明显下降，体现了防渗墙的防渗效果。符合达西定律的渗流其比降与渗透速度呈线性相关。浸润线越高，工程的安全性就越低，因此在工程中需要尽量降低浸润线。从云图中可以看出浸润线在穿过防渗墙时有6 m的落差，表明防渗墙可以有效降低浸润线的高度以提高工程安全性。最大比降发生在墙高9.6 m处附近，其值为14，满足生活垃圾卫生填埋场的有关规定。

图8.26　水头云图及浸润线

图8.27　孔隙水压力云图

图8.28　防渗墙渗透比降