基于數值模擬及反分析研究施工因素對滲流特性的影響

曾乾坤，林日東，倪小東*

(1.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.福建省水利水電科學研究院，福建 福州 350000)

防滲墻因其防滲效果明顯、質量可靠、經久耐用，在病險水庫除險加固工程中得到了廣泛應用[1]。防滲墻位于壩體內或夾于深厚覆蓋層，為隱蔽工程，且多為水下澆筑，施工質量受施工工藝、施工場地、人員設備諸多因素影響[2]，防滲墻體極有可能存在質量缺陷，從而大大削弱防滲效果，對堤壩安全運行產生危害[3]。目前，國內二十世紀中葉建設的中小型水庫相當部分存在滲漏問題，相當部分水庫土壩通過施作防滲墻進行防滲加固。當前針對完成防滲加固的水庫土壩開展其防滲效果評價研究較少見于文獻。通過大量文獻和現場調研，許多學者結合實際工程對影響防滲墻成墻質量的施工因素進行了淺析，但涉及施工因素系統調研且歸并分類的研究較少，施工因素對防滲墻成墻質量至關重要，進而決定了壩體的防滲性能，直接影響整個工程安全性，因此系統調研影響防滲墻質量的施工因素很有必要[4-18]。在數值模擬正分析層面，相關研究很多[19-27]，證實了利用Geostudio軟件模擬堤壩滲流的可行性與優越性。在通過相關數值、數學方法或結合實測數據開展反演分析層面[28-31]，對于施工因素系統調研與歸類研究較少，導致數值模擬中工況參數缺乏理論依據，且涉及非穩定滲流庫水位變動下浸潤線的研究鮮見與實際工程結合，反演分析大多停留在壩體滲透系數確定層面，很少涉及通過浸潤線形態進行防滲墻不良原因判別，據此進行了本文研究工作[32-36]。

本文通過現場調研及查閱施工日志，結合專家訪談，并參考相關文獻闡述，歸納影響防滲墻防滲效果的相關因素。基于上述分類，建立相應簡化物理模型，通過比對不同工況下的滲透參數，評估各因素對防滲效果的影響程度，結合實測浸潤線形態開展防滲體防滲效果不良原因初判，并對穩態下不同庫水位水平及庫水位變動工況進行數值模擬，比較分析其浸潤線形態差異，對土石壩防滲加固效果做出綜合分析。

1 防滲墻防滲效果影響因素分類

通過開展相關現場調研及資料分析，結合收集數次專家咨詢討論會意見，并參考相關文獻，總體得出影響防滲墻防滲效果的因素存在于工程各個階段，具體分為事前(勘察設計)、事中(施工)、事后(運行)，通過歸并分類可知，事前階段，主要是勘察設計階段存在勘察不足，導致防滲體結構設計形式與需求存在差異影響整體防滲效果；施工階段，諸多施工因素的影響最終基本體現在防滲墻質量缺陷這個關鍵點；在運行階段，臺風過境等不利因素往往導致庫水位瞬升，引起非穩定滲流，導致局部水力梯度超允許值，從而影響防滲墻的防滲效果。最終以魚骨圖形式展示影響混凝土防滲墻防滲效果的諸多因素，具體如圖1所示。

2 相關影響因素下滲流場分析

通過對圖1展示的相關影響因素進行合理歸并，構建系列簡化物理模型，并建立相應的數值模型開展分析。具體依托某一工程，針對各數值模型開展穩定-非穩定滲流模擬，評估各影響因素下土石壩防滲加固效果。

2.1 工程概況

某均質土壩，如圖2所示。壩頂高程240.0 m，壩頂寬25 m，防滲墻頂高程240 m，壩軸線長208.0 m，防滲墻厚1 m，設計正常蓄水位32 m，枯水位12 m。壩體填筑材料主要成分為粘性土，填土的成分均勻性較好，填土時經分層壓實。壩基從上至下分別為細砂層、泥質粉砂巖，層厚分別為10 m和5 m。水庫大壩防滲加固前存在的主要問題是壩體填筑土的壓實度偏低，含水率偏高，呈弱中等透水性。水庫高水位運行時，大壩背水坡出現大面積濕坡。

2.2 有限元分析模型

2.2.1 土壩物性參數

根據防滲加固前開展的地質勘測報告描述的土工試驗成果及其建議值選取工程各部位參數，詳見表1，壩身土非飽和滲透系數參考類似工程選取。

圖1 防滲效果影響因素Fig.1 Influencing factors of seepage control effect

圖2 典型斷面圖(單位:m)Fig.2 Typical section

表1 壩體不同分區計算參數Tab.1 Calculation parameters of different zones of dam body

由勘察報告可知，該壩體各部分滲透系數較高，特別其下臥細砂層，其滲透系數為1×10-4m/s，為高滲透性，顯然不利于壩體防滲，是水庫滲漏的重要通道。

2.2.2 分析模型

依據圖2所示斷面形態，建立圖3所示分析模型，模型邊界設置如下：壩體上游水位面以下設置為等水頭邊界，H=32 m；壩體下游水位面位于細砂層頂面，H=0 m；壩體下游坡面設置為潛在滲流面，出溢點通過自動搜索獲得；模型底面及左右均設置為不透水邊界。網格劃分時，防滲墻體單元尺寸設置為0.25 m×0.25 m，其余區域單元尺寸設置為1 m×1 m。

2.2.3 防滲墻的有限元滲流模擬

依托第一部分開展的相關工作，在考慮施工影響因素時，細分為不同缺陷位置及缺陷程度對土壩防滲的影響，最終考慮防滲墻缺陷、防滲墻結構形式和水位瞬升等將對流場產生重要影響，進而影響防滲墻防滲效果的因素共設置11種工況，如圖4所示，圖中空白部分表征缺陷，表2為各工況設置參數表。

圖3 有限元網格及邊界條件設定Fig.3 Finite element mesh and boundary condition setting

圖4 各分析工況簡化示意圖(單位：m)Fig.4 Simplified diagram of each analysis condition

表2 各工況設置參數Tab.2 Setting parameters of each working condition

采用Geostudio中的seep/w模塊開展上述工況模擬，獲取土石壩浸潤線(形態、防滲體上游側、下游側水頭高度)、出逸點水力坡降、壩基滲流量、壩體滲流量等滲流參數，通過比對各工況下的滲流參數，確定各因素對防滲效果的影響程度。

2.3 有限元分析結果

2.3.1 防滲墻不同結構形式對滲透特性的影響

在基礎覆蓋層不厚的土石壩加固工程中，混凝土防滲墻一般直接嵌入基巖以形成封閉式防滲體系。然而，實際工程中由于勘察原因導致防滲墻嵌入基巖深度不夠甚至未入巖等情況，相應地，防滲墻結構形式從全封閉式變為懸掛式。為探討防滲墻結構形式的改變對防滲墻防滲效果的影響，進行了工況1及工況2的數值模擬。

表3顯示，當入巖深度從50 cm變到-50 cm時，即防滲墻的結構形式從全封閉式變為半封閉式時，壩體滲流量減小到原來的0.75倍，下游壩基滲流量增大到原來的2.8倍，滲流量變化顯著，這是因為在防滲墻底部存在強透水層，未有效截滲，將形成優勢滲流通道，導致壩體滲流量減小，壩基滲流量增加。顯然，形成全封閉式防滲結構能顯著降低下游壩基滲流量、壩基出逸坡降和上下游水頭差，因此，如因勘察、設計及施工某一方導致防滲墻深部不夠，未形成全封閉式防滲結構將稱為防滲工程的隱患，不容忽視。由圖5可知，防滲墻的結構形式的變化對流場產生重要的影響，對于浸潤線形態及各部位水力梯度均影響顯著。

2.3.2 防滲墻不同缺陷形式對滲流特性的影響

由于防滲墻施工工藝形式多樣，且是隱蔽工程，墻體質量難以監控，可能存在空洞、薄弱區等缺陷，為此設置多種缺陷工況，對應模擬圖1中墻體各部位存在施工缺陷的滲流狀況，與正常情況對比，分析不同部位、不同程度的墻體缺陷對防滲效果的影響。具體設置時考慮兩種缺陷類型：一種為水平施工缺陷，該缺陷貫通防滲墻左右兩側，另一種為垂直施工缺陷，該缺陷沿防滲墻厚度方向呈現，劃分網格時對防滲墻及缺陷部位進行加密處理。

表3 不同防滲墻結構形式下工程滲流參數變化Tab.3 Variation of engineering seepage parameters under different seepage control wall structures

圖5 各工況下總水頭等值線云圖Fig.5 Cloud chart of total head isoline under various working conditions

表4 不同防滲墻缺陷形式下工程滲流參數變化Tab.4 Variation of seepage parameters under different impervious wall defects

由表4可見，工況3—工況5中，壩基滲流量、壩基出逸滲透坡降、下游壩基滲流量基本相同，防滲效果接近，但上述各工況與正常工況相比：墻后浸潤線的位置存在明顯變化，壩體滲流量變化較大，這是因為在壩體內存在的水平缺陷形成貫穿通道，形成滲流的優勢通道，增加了水流量；工況6由于缺陷位于強透水層，水流優先從缺陷內通過，與正常相比，壩基滲流量明顯增加，壩體滲流量明顯減小，防滲效果顯著降低，在所有水平施工缺陷工況中防滲效果最差，因此防滲墻水平施工缺陷所處地層對其防滲效果有顯著影響；通過工況7—工況10的對比分析，各滲流參數基本接近，由于缺陷設置并未貫穿，與無缺陷工況1相比，各垂直缺陷工況防滲墻防滲效果影響不大。

2.3.3 防滲墻水位驟升對滲流場的影響

庫水位變化與土石壩壩坡穩定密切相關，汛期蓄水時這種不利因素更加明顯，隨著庫水位急劇抬升，壩體內將產生對壩坡穩定不利的非穩定滲流。為此設置了工況11：上游水位5 d從217 m勻速抬升至237 m，分析剛達到穩定時防滲墻工程滲流參數，并與工況1比對，如表5，分析水位驟升對防滲效果的影響。

表5 不同滲流種類工程滲流參數變化Tab.5 Variation of seepage parameters of different seepage types

表5可見，與穩定滲流相比，非穩定滲流中，防滲墻兩側浸潤線高度差、浸潤線高度，有明顯降低，防滲墻底部平均滲透坡降、壩基出逸滲透坡降、壩體滲流量、下游壩基滲流量均有明顯降低，這是因為水位驟升時浸潤線在上游出現了“延緩上升”現象，表現為從上游壩坡到防滲墻處浸潤線的上升速率逐漸減小，防滲墻內部及上下游邊界處浸潤線有明顯突降，水流充滿壩體時間不足，進而產生此結果。

3 數值模擬結果分析

3.1 滲流量分析

根據工況1—工況11的數值模擬結果繪制各個工況的滲流量圖，如圖6所示。

圖6 各個工況滲流量Fig.6 Seepage flow under various working conditions

圖6顯示，于壩體滲流量而言，與工況1相比，工況2有所減小，是由于在防滲墻底部形成滲流通道的結果，工況3—工況5明顯增加，是因為在壩體內存在水平施工缺陷，形成貫穿通道，工況6有所降低是由于在強透水層存在的水平缺陷形成優勢通道，工況7—工況10與其接近，是沒有形成滲流通道的緣故，工況11為非穩定滲流，壩體滲流量明顯降低；于下游壩基滲流量而言，工況1滲流量最小，工況2的滲流量是工況1的近2.8倍，防滲墻高度變化不大，防滲墻由全封閉式變為懸掛式時，壩基滲流量大大增加，表明防滲墻結構形式是影響防滲墻防滲效果的重要因素之一。

由工況3—工況6可知，滲流量與施工缺陷的位置有關，缺陷處于強透水層時防滲效果最差；工況7—工況10滲流量較為接近；工況11為非穩定滲流下的工況，滲流量與正常工況相比明顯降低，這是因為水位驟升時浸潤線在上游出現了“延緩上升”現象，壩體內充水不足導致滲流量產生明顯差異。綜合分析，各個因素影響下游壩基滲流量的程度：水平施工缺陷(缺陷處于強透水層)>結構形式(懸掛式)>水平施工缺陷(缺陷處于壩體)>垂直施工缺陷>非穩定滲流(水位驟升)；各個因素影響壩體滲流量的程度排序為：水平施工缺陷(缺陷處于壩體)>垂直施工缺陷>結構形式(懸掛式)>水平施工缺陷(缺陷處于強透水層)>非穩定滲流(水位驟升)。

3.2 防滲墻降低水頭值分析

根據工況1—工況11的數值模擬結果繪制各個工況的防滲墻降低水頭值圖，如圖7所示。

圖7 各個工況中防滲墻降低水頭值Fig.7 Reduced water head value of impervious wall under various working conditions

圖7顯示，防滲墻無缺陷時防滲墻降低水頭值最大，防滲效果最好；當防滲墻由全封閉式變為懸掛式時，降低水頭值減小了原來的50%；防滲墻存在水平施工缺陷時，防滲墻降低水頭值與缺陷的位置有關，缺陷處于強透水層時防滲效果最差；防滲墻存在垂直缺陷時，防滲墻降低水頭值與缺陷位置關系不大；防滲墻無缺陷在非穩定滲流情況下防滲墻降低水頭值最小，這是由于水位驟升導致浸潤線在壩體內出現了“延緩下降”現象，與防滲墻本身防滲效果無關。綜合分析，各個因素影響防滲墻降低水頭值的程度排序為：水平施工缺陷(缺陷處于強透水層)>結構形式(懸掛式)>水平施工缺陷(缺陷處于壩體)>垂直施工缺陷>非穩定滲流(水位驟升)。

3.3 壩基出逸滲透坡降分析

根據工況1—工況11的數值模擬結果繪制各工況壩基出逸滲透坡降圖，如圖8所示。

圖8 各工況壩體下游面出逸滲透坡降Fig.8 Seepage gradient of downstream face of dam body under various working conditions

圖8顯示，防滲墻無缺陷時壩基出逸滲透坡降最小，防滲效果最好；當防滲墻由全封閉式變為懸掛式時，壩基出逸滲透坡降增大了0.96倍；防滲墻存在水平施工缺陷時，壩基出逸滲透坡降與缺陷的位置有關，缺陷處于強透水層時防滲效果最差，另外3種工況中壩基出逸滲透坡降變化不大；防滲墻存在垂直施工缺陷時，壩基出逸滲透坡降與缺陷的位置無明顯關系，與正常情況相比，壩基出逸滲透坡降變化不大；防滲墻無缺陷在非穩定滲流情況下壩基出逸滲透坡降與正常情況相比，壩基出逸滲透坡降明顯降低。綜合分析，各個因素影響壩基出逸滲透坡降的程度排序為：水平施工缺陷(缺陷處于強透水層)>結構形式(懸掛式)>水平施工缺陷(缺陷處于壩體)>垂直施工缺陷>非穩定滲流(水位驟升)。

3.4 浸潤線分析

3.4.1 各工況浸潤線分析

根據數值分析結果繪制出各個工況的浸潤線，如圖9所示。

實際工況中，分別選取防滲墻前、防滲墻后以及壩體出逸點作為代表點，將現場實際測得的代表點孔壓計讀數在圖9中以折線表示出來，通過對比分析，實際工況的浸潤線與工況2和工況6的浸潤線很接近，比對代表點位置發現，實際工況的浸潤線與工況6的浸潤線基本重合，且曲線走勢相同，可初步判別實際工況的缺陷形式與工況6接近，再結合現場資料及施工記錄綜合判別，這種通過結果反演分析的方法可以初判實際情況中大壩防滲墻所發生的質量問題，類似的反演分析方法推廣至更多工程中，對大壩隱蔽工程防滲墻的缺陷進行整治。

3.4.2 補充工況浸潤線分析

為深入研究貫穿缺陷和非貫穿缺陷不同尺寸的滲透規律，在工況7基礎上補充工況12—工況15，設置參數如表6，圖10為浸潤線詳圖。

從圖10可知，工況12—工況14的浸潤線基本重合，工況14差異較大，由表6可見，工況12—工況14的缺陷位置最大i、壩基出逸滲透坡降i、壩體滲流量和下游壩基滲流量基本接近，說明當缺陷非貫穿時，缺陷沿水平方向的長度差異對滲流影響不大，這是因為未在缺陷處形成滲流通道，當缺陷貫穿時，工況15與其他工況相比，滲流參數和浸潤線均有較大差異，這是因為貫穿缺陷在缺陷處形成滲流通道，嚴重削弱了防滲體的防滲效果，因此，實際施工過程中，應嚴格避免貫穿施工缺陷的出現，以防在防滲體內部形成滲流通道造成壩體的滲流破壞。

3.4.3 非穩定滲流浸潤線分析

對穩態下不同庫水位水平及庫水位驟升、驟降工況下的壩體內部浸潤線變化情況進行分析。本文給出了壩體在穩定滲流、不同庫水位水平及庫水位不同驟升速率、驟降速率工況下的內部浸潤線變化情況，穩定時間均為60 d，如圖11—圖13。

圖11顯示：不同庫水位在穩定滲流下，浸潤線變化較為平緩，變化趨勢一致，均在防滲墻處有一折減效應，表示防滲墻起到了阻水效應；隨著庫水位下降，壩體內部浸潤線相應地降低，防滲墻兩側浸潤線高度差也相應地減小，出逸點位置下移，表明水位越低，防滲墻需要承擔的水頭降低值越小，對下游壩坡的穩定越有利。

圖12顯示：不同庫水位驟升速率下的浸潤線變化與穩態庫水位相比有很大差異，即浸潤線在上游出現了“延緩上升”現象，表現為從上游壩坡到防滲墻處浸潤線的上升速率逐漸減小，防滲墻內部及上下游邊界處浸潤線有明顯突降，高水位情況下的浸潤線與低水位下的浸潤線在防滲墻內聚攏，壩體內部浸潤線較之穩態相同庫水位情況有明顯降低。不同速率驟升條件下的浸潤線均比較密集地分布，壩體驟升達到穩定所需時間近乎相同，穩定后浸潤線與穩態滲流結果相同，隨著驟升速率降低，壩體各部分浸潤線均有所抬升，浸潤線分布越來越稀疏，這是因為上升速率的減小使得在相同庫水位情況下水流進入壩體的時間延長，浸潤線結果也就越來越接近穩態滲流。

圖13顯示：不同庫水位驟降速率下的浸潤線變化與穩態水位相比有很大差異，即浸潤線在壩體內出現了“延緩下降”現象，表現為上游壩坡到防滲墻處浸潤線的下降速率逐漸減小，這是因為防滲墻的滲透系數是壩體的1/50，庫水位下降時，上游壩坡下降得快，而防滲墻下降得較慢，因而形成了浸潤線在防滲墻內部的“滯留”。不同速率驟降工況下，浸潤線形態一致，庫水位的下降速率越小，庫水位降低至最低水位時防滲墻下游邊界浸潤線越低，壩體內浸潤線越稀疏，這是因為下降速率的減小使得在相同庫水位情況下滲流達到穩定的時間延長，浸潤線結果也就越來越接近穩態滲流而向下變動。

圖9 實際工況與模擬工況浸潤線Fig.9 Saturation line of actual and simulated conditions

表6 工況12—工況15設置參數Tab.6 Setting parameters of condition 12—15

圖10 工況12—工況15浸潤線詳圖Fig.10 Detail drawing of saturation line under working condition 12—15

圖11 防滲墻不同庫水位水平下的浸潤線變化Fig.11 Change of phreatic line under different water level of impervious wall

圖12 防滲墻庫水位驟升工況下的浸潤線變化Fig.12 Change of phreatic line under sudden rise of water level in impervious wall reservoir

圖13 防滲墻庫水位驟降工況下的浸潤線變化Fig.13 Change of phreatic line under sudden drop of water level in impervious wall reservoir

4 結論

1)開展壩體防滲結構缺陷要因分析，對影響防滲效果因素進行分類。進而通過設置模擬工況開展數值分析，結合壩體埋設孔壓計及水位計等監測設備可進行防滲缺陷初步探究，結合浸潤線形態及出溢點位置開展防滲體防滲效果不良原因初判，如有滲漏量監測，則可進一步進行驗證，從而為土壩隱蔽工程防滲墻的缺陷整治提供初步預判。

2)非貫穿缺陷對滲流效果影響不大，而貫穿缺陷由于在缺陷內形成滲流通道，嚴重削弱了防滲體的防滲效果，這尤其表現在防滲墻兩側水頭值和出逸點位置的差異上，所以實際施工過程中，應嚴格避免貫穿施工缺陷的出現，以防在防滲體內部形成滲流通道造成壩體的滲流破壞。

3)不同庫水位驟升速率下的浸潤線變化與穩態庫水位相比在上游出現了“延緩上升”現象，不同速率驟升條件下的浸潤線均比較密集地分布，壩體驟升達到穩定所需時間近乎相同。不同庫水位驟降速率下的浸潤線變化與穩態水位相比在壩體內出現了“延緩下降”現象，不同速率驟降工況下，浸潤線形態一致。顯然，利用上述特征，結合實測數據，可為防滲體缺陷檢測提供系列動態數據，進一步明確缺陷形態。