深度和透滲常數影響的帷幕阻滲敏感性數理模擬分析探究

陳潔宇

(水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，新疆 昌吉 831100)

阻滲帷幕對壩基漏滲及揚壓力狀態具有控制作用，如果阻滲帷幕存在嚴重設計缺陷，會直接導致壩體漏滲量控制狀態發生問題。本研究參考工程案例實用數據，借助工程專業有限元Geostudio模擬系統，以數理模擬計算分析的方式，對壩基透滲常數和阻滲深度帷幕實施敏感性分析，探討帷幕透滲常數及不同深度帷幕對壩基漏滲與揚壓力的影響，以期為同類壩體深度帷幕工程應用提供研究和技術參考，助力建設安全適用的壩體帷幕工程。

1 案例工程概況

案例水庫竣工于上世紀70年代，水庫位處某市的縱化區東北部，壩址坐落于汾田水下游，壩址以上總干流長度約21 km，是一座具有灌溉、防洪和發電功能的中型水庫。案例水庫主壩上下游視圖見圖1和圖2。

圖1 案例水庫主壩上游視圖

圖2 案例水庫主壩下游視圖

水庫集雨面積92.3 km2，總庫容9 097×104m3，發電總裝機容量8 800 kW。樞紐工程一般由輸水隧道和壩體等主要建筑物組成,壩體建筑物等級3級，100年一遇的設計洪水標準，核校洪水1 000年一遇標準。壩體為漿砌石重力壩類型，最大壩高61.3 m，壩長181.9 m。案例水庫配合流溪河水庫，合計灌溉農田達3.333 3×104hm2，保衛43萬人口和下游4.6×104hm2土地的安全。

案例水庫漿砌石重力壩系較為典型的以漿砌石為材料建成的中高重力壩。當時，漿砌石高重力壩尚處在初步進展階段，受工藝、材料、技術水平以及施工管理等條件的制約，該工程存在著一定缺陷。水利部門一直關注案例壩體的安全性，并長期實施了安全管理和監測。投入運行后，設有壩基漏滲、壩身、降雨量及庫水位等人工觀測項目，后來又增設了人工觀測壩頂垂向移位及水平移位項目。現已建立專業的案例水庫壩體安全管理與監控系統，除了將漏滲量、降雨量及庫水位觀測改造為智能自動遙測外，還增設了倒垂線壩基水平移位、壩基揚壓力、構造縫、靜力水準垂向移位、大氣溫度、基巖與壩身溫度等自動化監測項目。整個監測作業由案例水庫的職能管理部門負責實施。

運行后不久，案例水庫壩體就發生較明顯的漏滲，壩體的漏滲經多次局部灌漿治理后有所降低，但仍然反復多次再度發生漏滲，灌漿治理效果不夠理想。2005年6月，水位自165 m驟升至174 m后，漏滲量亦隨之劇增，較大漏滲量在壩身及壩基均有岀現，壩身及壩基最大總漏滲量達1 606.89 m3/d。其中，有1 295.54 m3/d屬于壩基的漏滲量，311.35 m3/d屬于壩身的漏滲量，而此前僅為1 025.14 m3/d的最大總漏滲量。庫水位此時為174.35 m，仍然較175.01 m正常蓄水線要小。黃色偏紅的凝膠狀物出現在基巖排水孔處，白色結晶狀析出物在廊道內壁多處可見，現場廊道檢査發現分縫處滲水較多，且部分孔位的揚壓力攀升明顯。壩體此時已運行29年，對揚壓力突然顯著攀升及發生漏滲現象的原因當時存在多種技術觀點，一直沒有形成各方統一認同的意見。2007年，案例水庫進行了壩體安全鑒定。2008年，項目組提出揚壓力偏高和漏滲的解析，結合分析結果，管理單位采取了對應處理加固措施。實施整固措施以后，治理效果明顯。

2 有限元計算模型的建立

2.1 計算模型

以工程專業有限元Geostudio模擬系統創建計算模型。參考案例水庫壩址區滲流場分析研究的需要和巖層水文地質特性，以距壩基阻滲帷幕底部約120 m的基礎深度、兩倍壩高的左右岸長度為范圍區域創建分析計算模型。模型模擬了工程區壩身、巖體、阻滲帷幕等，涉及區域囊括對計算域滲流場存在影響的主要邊界范圍。模型斷面見圖3，有限元模型河床壩段網絡劃分見圖4，模型網絡共計6 212個節點，6 047個單元。

圖3 模型斷面圖(單位：m)

圖4 滲流有限元模型河床壩段網絡劃分圖

2.2 計算參數

取帷幕寬度為3.5 m。結合原設計資料，依據案例工程巖土勘察報告確定計算參數取值，壩基、壩身和阻滲帷幕透滲常數見表1。

表1 壩基、壩身和阻滲帷幕透滲常數

2.3 邊界條件

重力壩基礎底面和上下游基礎垂向斷面均為不透水面；重力壩下游河床水位以下壩體表面及上游水體庫水位以下壩體表面為水頭已知邊界；水位以上重力壩下游壩身表面為滲流可能逸出面；上游水位正常蓄水工況時取175.01 m，相應下游為無水。

表2 阻滲深度帷幕對漏滲和揚壓力的影響分析工況

2.4 計算工況

阻滲深度帷幕范圍通常取為0.3～0.7倍的水頭高程，本案例工程壩身上游水體頭正常蓄水線工況時為58.6 m，阻滲帷幕分析深度0～50 m，17～41 m是深度帷幕范圍，每工況間隔5 m，取不同深度帷幕對揚壓力和壩基漏滲的影響實施分析，阻滲深度帷幕對漏滲和揚壓力的影響分析工況見表2。

選用正常蓄水線工況作為阻滲帷幕透滲常數的影響計算工況。除了透滲常數，其他參數等同前述模型。工況及對應阻滲帷幕透滲常數見表3。

表3 工況及對應阻滲帷幕透滲常數

3 壩基阻滲帷幕有限元模擬計算分析

3.1 阻滲深度帷幕的影響分析

3.1.1 折減常數和揚壓力基于阻滲深度帷幕的影響分析

基于深度帷幕差異的揚壓力曲線狀態見圖5。隨深度帷幕變化的帷幕后揚壓力折減常數過程曲線見圖6。曲線揭示，隨著阻滲帷幕的加深，壩基揚壓力對應伴隨下降。但當到達20m壩基深度帷幕后，壩基的揚壓力隨著帷幕的加深而下降的趨勢開始變得不明顯。本壩基工程的阻滲深度帷幕設計取20 m，表明深度帷幕的設計是適合的。

圖5 基于深度帷幕差異的揚壓力曲線狀態

圖6 隨深度帷幕變化的帷幕后揚壓力折減常數過程曲線

3.1.2 漏滲量基于阻滲深度帷幕的影響分析

不同阻滲深度帷幕條件下的漏滲量見表4。基于深度帷幕差異的壩體日總漏滲量變化曲線見圖7。表4數據和圖7曲線揭示，隨著阻滲帷幕的加深壩體漏滲量對應伴隨下降，但隨著帷幕加深漏滲量的下降，當壩基深度帷幕達20 m后，相應的繼續緩減開始變得不再明顯，顯示深度帷幕值取20 m的設計選擇相對合適。

表4 不同阻滲深度帷幕條件下的漏滲量

續表4

圖7 基于深度帷幕差異的壩體日總漏滲量變化曲線

3.2 阻滲帷幕透滲常數的影響分析

3.2.1 揚壓力基于阻滲帷幕透滲常數的影響分析

阻滲帷幕透滲常數差異影響下的帷幕后揚壓力折減常數關系曲線見圖8。由圖8可以知道，帷幕在k<5.0×10-7cm/s阻滲帷幕透滲常數時，可以發揮良好的阻滲作用；在k>5.0×10-7cm/s阻滲帷幕透滲常數時，隨著透滲常數的加大，揚壓力折減常數對應變大，壩基揚壓力基于阻滲帷幕的調解作用相對越來越弱，顯然對維持壩身穩定狀態極其不利。

圖8 阻滲帷幕透滲常數差異影響下的帷幕后揚壓力折減常數關系曲線

3.2.2 漏滲量基于阻滲帷幕透滲常數的影響分析

不同阻滲帷幕透滲常數條件下的漏滲量見表5，基于帷幕透滲常數差異的壩體日總漏滲量曲線見圖9。從表5數據和圖9曲線可以看到，漏滲量在k<5.0×10-7cm/s阻滲帷幕透滲常數區間降低顯著，表明帷幕這時可以發揮良好的阻滲作用。案例壩基工程采取1.5×10-7cm/s阻滲帷幕透滲常數，顯然阻滲帷幕透滲常數的選擇適合工程安全設計需求。實測漏滲量與計算漏滲量屬于同一量級且復合度良好。

表5 不同阻滲帷幕透滲常數條件下的漏滲量

圖9 基于帷幕透滲常數差異的壩體日總漏滲量曲線

4 結 論

本研究針對壩基阻滲敏感性基于透滲常數與阻滲深度帷幕的影響狀態進行了有限元數理模擬計算分析。主要結論如下：

1) 隨著阻滲帷幕的加深壩體漏滲量對應伴隨下降，但隨著帷幕的加深漏滲量的下降，當壩基深度帷幕為20 m后，相應的繼續緩減開始變得不再明顯，顯示深度帷幕值取20 m的設計選擇相對合適。

2) 漏滲量在k<5.0×10-7cm/s阻滲帷幕透滲常數區間降低顯著，表明帷幕這時可以發揮良好的阻滲作用。案例壩基工程采取1.5×10-7cm/s阻滲帷幕透滲常數，顯然阻滲帷幕透滲常數的選擇適合工程安全設計需求。反之，基礎淺部用固結灌漿替代帷幕灌漿，因為局部阻滲帷幕沒有做好，案例工程在庫水位大于166 m后，阻滲帷幕將無法起到較好的阻滲作用。