數值分析在防滲帷幕時效性分析中的應用

賈 超，周曉勇，李 輝，虞未江

工程管理

數值分析在防滲帷幕時效性分析中的應用

賈 超，周曉勇，李 輝，虞未江

（山東大學土建與水利學院，濟南250000）

利用數值分析的方法確定出帷幕的滲透系數與滲漏量的關系，進而對帷幕的防滲效果進行分析。通過現場壓水試驗得到當前防滲帷幕的透水率，并對其防滲效果進行評價，將現場試驗結果與數值分析結果對比，發現數值計算結果與現場試驗結果一致，因此該數值分析方法可以用于對研究區內防滲帷幕時效性評價。

防滲帷幕；時效分析；壓水試驗

1 工程概況

泰山抽水蓄能電站上水庫位于山東省泰安市櫻桃園溝內，上水庫庫盆防滲采用鋼筋混凝土面板與庫底高密度聚乙烯土工膜及垂直防滲帷幕相結合的綜合防滲方案。其中垂直防滲帷幕布置在土工膜水平防滲的左側區，左壩頭設置一帷幕灌漿廊道，帷幕灌漿廊道位于左壩頭管理處營地后邊坡山體內，洞向N4°30'E，洞長72.78m，左壩頭至帷幕洞長87.22m，帷幕灌漿區域長160.00m。

2 左壩肩防滲帷幕數值分析

為評價左壩肩防滲帷幕的時效性，首先利用有限元計算軟件建立水庫及帷幕三維滲流模型，進行滲流分析計算。根據防滲帷幕不同工作狀態下其滲透系數不同而設定多種工況，通過計算各工況下浸潤線位置確定浸潤線分布和滲漏量，得到滲透系數與滲漏量的關系曲線，進而分析評價帷幕防滲效果。

2.1 幾何模型的建立及網格劃分

根據泰山抽水蓄能電站上庫庫區地質探測資料，將上水庫左壩肩山體采用土石壩模型進行概化，根據左壩肩處地形條件建立三維實體模型如圖1。

圖1 水庫左壩肩段三維實體模型

考慮地質鉆孔深度，庫底上、下均取帷幕深度的1.5倍作為上、下邊界，滿足滲流模型建立及計算要求。模型網格選取solid brick 8node70映射剖分的方式進行劃分，庫岸山體及地基部分網格尺寸選取10m，防滲帷幕部分網格尺寸選取2～3m，網格劃分滿足精度要求，劃分網格后的模型如圖2。

圖2 上水庫左壩肩三維模型網格劃分

3.2 邊界條件及參數確定

根據設計資料正常蓄水情況下壓力水頭24m，因此上游水頭為第1類邊界條件H=24m，模型左邊界及庫岸山體頂部為不透水邊界是第2類邊界條件的特殊情況q=0，右邊界為溢出邊界即H=y，下邊界邊界條件設置為H=0。勘察資料可知，山體滲透系數K1= 2×10-2m/d，壩基滲透系數K2=1×10-3m/d。采用改變帷幕滲透系數的方法模擬帷幕在不同工作狀態時的滲流狀況，設定帷幕滲透系數K3分別為1×10-5，5×10-5，1× 10-4，5×10-4，1×10-3，5×10-3，1×10-2，2×10-2m/d等8工況進行數值計算。

3.3 計算結果與分析

對于帷幕滲透系數為1×10-5m/d的第1種工況，計算可得模型的滲流浸潤線分布云圖如圖3。

圖3 K3=1×10-5m/d時浸潤線分布云圖

從圖中可以看出通過灌漿帷幕的浸潤線是一條不光滑的曲線，浸潤線以上壓力水頭為0m，浸潤線往下壓力水頭逐漸增大，壓力水頭的最大值22.86m。通過灌漿帷幕后，由于帷幕的滲透系數小于巖體的滲透系數，滲流浸潤線在帷幕前后出現明顯的落差，說明工作狀態良好，灌漿帷幕具有很好的阻水效果。通過計算同時可以得到的總水頭分布云圖如圖4。

圖4 總水頭分布云圖

由圖4可知，水頭在帷幕前后的變化情況。灌漿帷幕上游面水頭為401m，經過帷幕之后變為383m，水頭損失18m，已知庫底最大壓力水頭24m，因此經過帷幕之后將損失75%的水頭。距離水庫越遠，水頭越低，隨著深度增加，總水頭也越來越小。因此在帷幕工作狀態良好的情況下，防滲帷幕截斷了上下游的滲流通道，地下水的滲流被大大削弱，防滲帷幕承擔了主要水頭差。

帷幕滲透系數K3取1×10-4，5×10-4，1×10-3，5×10-3，1× 10-2，2×10-2m/d時，隨著帷幕滲透系數的減小，可得到帷幕在不同工作狀態下上庫左壩肩的滲流浸潤線的形態，限于篇幅部分云圖如圖5～圖8。

圖5 K3=1×10-5m/d時浸潤線分布云圖

圖6 K3=5×10-4m/d時浸潤線分布云圖

圖7 K3=1×10-3m/d時浸潤線分布云圖

圖8 K3=2×10-2m/d時浸潤線分布云圖

可以看出，當防滲帷幕處于不同的防滲等級時，模型中的浸潤線分布形態差異明顯，隨著帷幕滲透系數的增大，浸潤線越來越光滑，滲漏量逐漸增大，帷幕阻水效果越來越差，不同帷幕滲透系數下計算的滲漏量如表1。

表1 帷幕不同滲透系數下的滲漏量單位：m/d

續表1

根據帷幕不同滲透系數下的滲流量表可得Q~ K3關系曲線分布圖如圖9。

圖9 Q~K3曲線分布圖

從圖9可以看出，隨著帷幕滲透系數的增大，滲漏量逐漸增加，滲流量與其滲透系數存在正相關，結合勘察資料可知當前研究區的滲透系數在5×10-5～1× 10-4m/d之間，結合數值分析Q~K3曲線圖得出滲漏量10L/s。可以看出防滲帷幕防滲效果有一定衰減并產生滲漏，但防滲效果依然明顯。

4 現場壓水試驗

為確定上庫左岸灌漿帷幕當下的透水率，并驗證數值分析的結果，本研究在左壩頭原有灌漿帷幕線上鉆取3個試驗孔進行了現場壓水試驗。試驗采用單點法進行，每6m進行一段壓水，每段試驗記錄4組數據，試驗為2015年9月8日、9月9日兩天，取其試驗結果平均值作為本試段的透水率。試驗成果如表2。

表2 1#孔壓水部分試驗段成果

續表2

從試驗可以看出試驗孔的不同高程段透水率不同，但整體相差不大，整體透水率在2~3Lu之間。帷幕灌漿的防滲標準為透水率小于等于1Lu，從現場壓水試驗來看隨著運行時間的增加，已不滿足設計標準。目前防滲帷幕有一定程度的破損，防滲性能存在衰減，但衰減程度并不嚴重。

5 結語

（1）通過對泰山抽水蓄能電站的左壩肩防滲帷幕數值模擬，求得不同滲透系數下的滲漏量，根據實測資料確定出當前防滲帷幕的滲漏情況，分析可知防滲帷幕經過多年運行存在一定程度的破損，滲漏量有所增加。

（2）根據現場壓水試驗結果，發現帷幕的防滲性能已有所衰減，與數值分析結果相對比，發現二者較為吻合，說明利用數值模擬對防滲帷幕的時效性進行分析評價，具有一定的可靠性。

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The numerical analysis application in the research on Curtain Grouting

JIA Chao，ZHOU Xiao-yong，LI Hui，YU Wei-jiang
（School of Civil Engineering，Shandong University，Jinan 250000，China）

A numerical analysis method is proposed and used to determine the relationship between Permeability coefficient and leakage of the curtain.Through the field water pressure test，the seepage rate of the current waterproof curtain is obtained，and the seepage prevention effect is evaluated.The field test results compared with the results of numerical analysis，it is found that the numerical results are consistent with the field test results，so the numerical analysis method can be used for the evaluation of the timeliness of the impervious curtain in the study area.

curtain grounting；time dependent analysis；water pressure test

TV512

B

1672-9900（2016）04-0074-04

2016-07-05

賈超（1976-），男（漢族），教授，主要從事水利工程、巖土工程及工程地質方面的研究工作，（Tel）15562491089。