高混凝土面堆石壩周邊縫止水失效滲流性態仿真分析

顏 猛，陳守開，張政男

(1. 河南水利第一工程局，鄭州 450045；2. 華北水利水電大學水利學院，鄭州 450046；3. 河南省水環境模擬與治理重點實驗室，鄭州 450045)

0 引 言

面板壩自20世紀70年代發展至今短短幾十年[1]，因其具有抗震性能好、壩坡穩定以及安全、經濟等特點[2,3]而得到快速發展。近年來，隨著大型施工設備以及薄層碾壓、擠壓邊墻等技術的應用[4-6]，面板壩已發展成為當今水利水電工程建設的主流壩型之一。與常規土石壩一樣，滲流也是面板壩工程在全壽命周期重點關注的問題[7-9]。據悉，我國現已建成并投入運行的超百米面板壩中，有近1/8存在滲漏問題，且最大滲流量達3 000 L/s[10]。周邊縫作為面板壩防滲體系中的薄弱環節，受如止水材料、水流流速以及壩體基礎沉降產生的應力等多重因素影響，同時其也是面板壩中的關鍵環節，直接影響到水庫的經濟效益，嚴重時可能會威脅面板壩的正常運行以及下游人民的生命財產安全[11]，由于周邊縫滲漏甚至是失效導致面板壩發生變形并失事的報道也常有發生[12-14]，如：溝后面板砂礫石壩、株樹橋水庫大壩、巴西坎潑斯諾沃斯面板堆石壩等。為此，國內有關學者針對面板壩滲流問題展開了相關研究，潘少華等[15]通過模擬面板壩止水結構的周邊縫，研究基于Signorini型變分不等式并通過建立SVA滲流算法定位其滲流出流點的位置；熊璐等[16]分析了面板壩周邊縫失效的規律特征，并對其滲透穩定進行了評價；李炎隆等[17]基于鄧肯-張的E-B模型研究在接縫止水失效情況下面板壩的應力和變形。此外，譚界雄、周曉明、望燕慧等[18-20]相繼開展了面板壩的滲漏技術研究。本文借助有限元技術，以某樞紐工程高混凝土面板砂礫石壩為對象，通過有限元建模與數值仿真分析，研究大壩正常運行下周邊縫止水失效時的滲流特征并提出建議，為類似工程滲流設計與施工提供參考。

1 仿真計算理論

1.1 滲流場計算模型

根據水流連續性條件和廣義達西定律，三維空間各向異性等效連續概化介質的穩定飽和滲流數學模型為[3,6-8]：

(1)

邊界條件見圖1。對此滲流問題，節點虛流量法的有限元基本迭代格式如下[6]：

([K]-[K2]){h}={Q}-{Q2}

(2)

式中：[K]、[K2]為計算域全域及虛域貢獻的整體滲透矩陣；{h}為未知節點的水頭列陣；{Q}、{Q2}分別為已知水頭節點、內部源匯項和流量邊界對計算域的全域、虛域貢獻的流量列陣。

圖1 無壓穩定滲流數學模型Fig.1 Mathematical model of seepage flow without pressure steady

1.2 節點虛流量法的改進

式(2)中的[K2]虛域貢獻包含純虛單元和過渡單元中的虛區兩部分，其中前者容易求解，后者被自由面截成兩部分，較難求解。為了能夠準確模擬過渡區單元，引入壓力水頭的罰函數Fu(hc)對節點虛流量法進行改進，其計算公式如下[9]：

Fu(hc)=

(3)

其中：

(4)

式中：u1、u2表示壓力水頭的罰參數(圖2)。

圖2 單元罰參數計算示意Fig.2 schematic calculation of unit penalty parameters

過渡單元虛區貢獻的等參單元傳導矩陣[k]ε：

(5)

式中：ng為每一坐標向高斯點個數；Wi,Wj,Wm分別為每向坐標的權重值；F(ξi,ηj,ζm)為被積函數；(ξi,ηj,ζm)為高斯點坐標。

上式對過渡區單元中的虛區部分能實現精細的模擬，使計算結果能夠取得較好的精度。

1.3 無厚度縫單元

研究表明，縫面法向水頭損失非常小[20-22]。假設裂縫中的水流為準二維的滲流,以無厚度的裂縫單元模擬周邊縫止水失效，裂縫中的滲流滿足：

(6)

則裂縫平面單元e的傳導矩陣計算式為：

(7)

式中：sf為裂縫單元域；Ni和Nj為裂縫縫面單元插值函數；m為縫面單元的結點數。

依據上述求得的傳導矩陣并結合式(2)進行組裝。

2 三維有限元模型構建與分析

2.1 有限元建模

某面板堆石壩壩高247 m，其防滲設計采用傳統布置，防滲體系分為上部(防浪墻、面板、高趾墻、趾板及接縫止水)和下部(固結灌漿及帷幕灌漿)，其中接縫止水的止水措施采用3道止水的傳統結構形式，包括底部銅止水、中部橡膠止水帶、表層柔性填料的止水結構，并設置PVC遮蓋板，用于保護表層柔性填料。壩基巖層有覆蓋層、相對不透水層、弱透水層、中等透水層等，巖體滲透性強且不均勻。

為確保仿真計算的精度，充分模擬周邊縫止水失效對工程滲流的影響，有限元建模對防滲體系采用精細網格處理，而對于壩體堆石區實施簡易剖分，整個計算域總體形成疏密有致的三維滲流場有限元計算網格模型(圖3)。模型上下游邊界自壩軸線向上、下游800 m，左岸邊界自左壩頭向左500 m，右岸邊界自右壩頭向右350 m，基礎邊界底高程1 062.5 m，頂部為壩頂高程。

2.2 計算條件

計算水位假定為正常蓄水條件，即上游正常蓄水位1 700 m，下游尾水位1 484.77 m。壩體材料主要分區分別為鋪蓋料、壓重料、墊層料、特殊墊層料、反濾料、砂礫石和下游堆石區以及排水區(表1)。為便于比較，仿真計算分別計算正常運行和周邊縫止水失效2種情形，其中為了分析周邊縫止水損壞對滲

圖3 壩區滲流場三維網格計算模型Fig.3 Three-dimensional grid computing model of seepage field in dam area

表1 面板堆石壩壩區各料區滲透系數Tab.1 Permeability coefficient of each material area in the face rockfill dam area

流場的影響，設置了止水失效影響分析工況，假定周邊縫止水損壞，無厚度縫單元模擬，滲透系數取1×10-1cm/s。

2.3 計算結果分析

2.3.1 基本運行情況

圖4、圖5為正常蓄水位下滲流場的水頭分布。由圖4可知，水庫大壩壩基及兩岸滲流場具有明顯的三維滲流特征。大壩蓄水后，庫水通過壩基以及兩岸的透水帶進行滲流作用，因此，應采用帷幕灌漿防滲方案。

壩基河床透水性強，易形成滲流通道，應注重考慮并加強防滲措施。在正常運行狀態下，河床采用高趾墻及帷幕聯合防滲，底部延伸至3lu線以下，截滲效果較好。計算結果顯示，將主要防滲措施(包括面板、趾板、高趾墻以及帷幕灌漿)形成整體可以更有效的體現滲流作用：①滲透坡降方面。考慮到各分區分界面滲透坡降的不連續性，壩體混凝土面板、趾板、高趾墻、防滲帷幕以及反濾料承受的最大滲透坡降分別為169.68、162.36、5.94、10.16以及0.08，均小于各分區的允許滲透坡降，滿足要求，并有效地攔截庫水的下滲；②水頭分布。正常蓄水位下，整個等水頭分布都很好的體現出面板砂礫石壩各滲控要素的效果；③壩區滲流量方面。通過壩區滲流量得到較好的控制，總滲流量70.32 L/s。

圖4 正常運行壩區平面水頭等值線分布(單位：m)Fig.4 The contour distribution of horizontal head in dam area under normal operation

圖5 正常蓄水位下標準剖面水頭等值線分布(單位：m)Fig.5 The contour distribution of head in standard section under normal water storage level

2.3.2 止水失效影響分析

圖6、圖7為正常蓄水位下滲流場的水頭分布。在水庫蓄水后隨壩體變形，此時周邊縫將產生復雜的三向位移，周邊縫的止水結構極易被拉開，成為混凝土面板壩最可能漏水的通道；隨著變形趨勢的增大以及水壓作用影響，周邊縫開始產生滲流并出現應力明顯集中的現象，止水結構發生破壞并失效。因周邊縫止水失效，壩體中防滲體(面板、帷幕等)未形成封閉系統，庫水通過周邊縫滲向下游，抬升了壩體內的滲透水流，使得整個防滲系統的作用都大大降低，壩體內水位比正常蓄水位抬升了7.5 m，通過壩區總體滲流量達到177.72 L/s，比正常蓄水位增加了107.6 L/s，庫水滲流問題嚴重。滲透坡降方面，受影響最大的為特殊墊層區，滲透坡降達到10.89，遠超過了允許值，極易產生滲透破壞，對壩體的長期安全運行不利。周邊縫失效時的滲漏量對特殊墊層區滲透系數的增加非常敏感的原因是其所承受的壓力水頭較大[16]。

圖6 止水失效時壩區平面水頭等值線分布(單位：m)Fig.6 The contour distribution of the horizontal head in the dam area when the water stop failure

圖7 止水失效時典型剖面水頭等值線分布(單位：m)Fig.7 The typical section head contour distribution when water stop failure

表2 不同工況下各分區滲流量貢獻Tab. 2 Contribution of seepage flow in each zone under different working conditions

表3 不同工況下各分區的最大滲透坡降Tab.3 The maximum infiltration slope of each zone under different working conditions

由此可見，在整個面板砂礫石壩防滲系統中，周邊縫止水的有效性對整個壩體的安全起著至關重要的作用。因此，在施工過程中應重視周邊縫止水的施工質量，并根據壩高實際情況確定止水結構，必要時可采用多道止水，同時在面板壩正常運行過程中，應注重周邊縫的檢查與監測，本工程采用的主要監測手段為：表面變形監測主要采用位移標點進行監測，內部主要采用垂直水平位移計進行監測，滲流監測主要采用滲壓計、水位監測孔和量水堰。在周邊縫止水結構失效的情況下，應及時采用設置面板防護涂層以及止水板(橡膠板、瀝青纖維板與軟木板等)等修補方式進行修復[23]，以保證整個滲控系統的安全有效。

3 結 語

本文對高面板砂礫石壩進行三維滲流模擬計算，分析了正常運行工況的滲流特征，并與止水失效工況相比對，得出如下結論。

(1)針對較難求解的過渡區單元虛區部分，考慮引入壓力水頭的罰函數對節點虛流量法進行改進，改進結果擁有較高的精度，有助于實現過渡區單元的精細模擬。

(2)采用三維有限元模型的精細網格處理的方法對面板壩的防滲體系進行劃分，以無厚度縫單元模擬面板壩的周邊縫止水失效，模擬結果顯示周邊縫止水對壩體水位、滲漏量及滲透坡降均具有影響顯著，同時壩體的滲漏量由70.32增至177.72 L/s，特殊墊層最大滲透坡降由0.35增至10.89，嚴重影響大壩的安全運行。

(3)周邊縫止水對面板壩的安全至關重要，在施工中應注意對接縫處的施工質量嚴格要求，并根據工程的具體情況采取不同的止水結構，確保面板壩防滲系統的有效安全運行。

□