大壩防滲墻設計參數優化研究

崔宏偉

(遼寧潤中供水有限責任公司,遼寧 遼陽 111000)

1 工程背景

泡子沿水庫位于遼寧省法庫縣柏家溝鎮泡子巖村境內的遼河二級支流王河干流上，是一座以防洪為主，兼有灌溉、供水和養殖等諸多功能的綜合性中型水利工程[1]。該水庫的地理位置十分重要，下游保護遼北工業重鎮鐵法市，3個煤礦以及20萬人口，同時還可以為當地工業提供360萬m3的優質水源。水庫大壩為均質土壩，壩體為粉質黏土，主壩的壩基從上而下分別為粉質黏土層、砂礫層和基巖層。其中，基巖層上部為強風化花崗巖，下部為弱風化花崗巖。泡子沿水庫建成于20世紀50年代，不僅設計建設標準低，且沒有完整的設計建設資料，屬于典型的“三邊”工程。

在經過近70年的運行之后，病險問題日漸突出，特別是滲漏問題十分嚴重，當上游來水水位上漲后，會在壩后形成沼澤，這不僅會造成水資源的流失，還會影響到大壩的安全[2]。雖然期間進行過多次蓋重處理，但是仍舊存在比較嚴重的安全隱患。因此，遼寧省各級政府積極籌措資金，對該水庫進行全面除險加固。針對大壩的滲漏問題，通過對壩體和壩基地質條件的深入分析，擬采用混凝土防滲墻和高壓噴射灌漿進行處理，保證大壩和水庫的安全運行。基于此，本文以數值模擬的方法，展開防滲墻設計參數的優化研究，以期為加固工程設計施工提供支持。

2 研究方法

2.1 計算模型的構建

由于本文主要研究不同防滲墻的防滲作用和效果，因此選擇能夠全面反映泡子沿水庫大壩特征的Ⅲ-33斷面作為數值模擬研究的計算斷面，因為該斷面的防滲墻高度最大，土體材料也能反映大壩的整體情況[3]。

在幾何模型的構建過程中，以水平方向指向下游的方向為X軸的正方向，以豎直向上的方向為Y軸的正方向，以壩體上游與基巖地面交界部位為坐標原點。為了準確模擬大壩的滲流情況，結合相關研究成果和工程經驗，模型的計算范圍為壩體上游10 m至壩體下游15 m，整個計算模型的長度為121.5 m，高32.5 m[4]。

在進行泡子沿水庫大壩的有限元計算模型構建過程中，由于防滲墻要深入壩基基巖，因此在計算中要考慮基巖對混凝土防滲墻的嵌固作用[5]。計算模型采用的是以摩爾-庫倫準則為基礎的彈塑性有限元模型[6]。所有的結構均采用四邊形等參單元進行模擬，在防滲墻和土體之間設置Goodman接觸單元，以有效模擬新建的混凝土防滲墻和土體之間的接觸狀態[7]。最終，整個模型被劃分為15 750個計算單元和18 970個計算節點，有限元模型的示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

2.2 邊界條件與荷載

結合相關研究經驗，在計算過程中主要考慮的荷載有大壩壩體的自重、靜水壓力、滲透壓力以及接觸面的摩擦力[8]。為了充分考慮水庫的極端運行情況，計算在水庫的校核洪水工況下進行，此時大壩的上游水位為40.96 m，下游水位為28.71 m。由于本次研究計算是大壩在蓄水并形成穩定滲流工況，因此采用間接耦合的方法考慮滲流場的影響。大壩基礎的上下游垂直剖面以及底面為不透水面，上游庫水位以下的表面以及下游水位以下的表面為已知水頭邊界條件；大壩下游水位以上的壩體表面為可能滲流逸出面。

2.3 計算參數

計算的參數取值對計算結果存在十分顯著的影響，本次研究由于缺少原始設計資料，因此主要通過實際地質勘查資料和相關類似工程資料獲取，各部分材料所使用的滲透系數值如表1所示。

表1 模型材料的滲透系數 m/s

2.4 計算工況

在防滲墻的施工設計過程中，主要應該考慮的參數有兩個分別是防滲墻的厚度以及嵌入弱透水層(弱風化基巖)的深度。對防滲墻的厚度而言，其厚度越厚，防滲效果越好，但是會明顯增加施工成本。參考相關工程設計經驗，中小型土石壩的防滲墻厚度一般不超過1.3 m。但是，對除險加固工程施工而言，厚度小于0.6 m的防滲墻需要采取沖擊鉆施工方式，而厚度減小節省的成本并不能彌補鉆孔量增加產生的經濟代價，因此并不具有經濟性和防滲優勢。基于此，本文設計了0.6 m、0.8 m、1.0 m和1.2 m四種不同的防滲墻厚度進行計算分析。由于本工程基巖上部的弱風化層厚度為12 m左右，因此，設計了0 m、2 m、4 m、6 m、8 m、10 m和12 m等七種不同嵌入深度，上述兩個參數的不同水平值相互組合，獲得如表2所示的計算工況。

表2 計算工況設計表

3 計算結果與分析

3.1 單寬滲流量計算結果與分析

利用構建的有限元模型，對不同計算工況下的壩基單寬滲流量進行計算，并根據計算結果，繪制出如圖2所示的單寬滲流量隨防滲墻入巖深度的變化曲線。由圖可知，壩基的單寬滲流量隨著防滲墻的厚度和入巖深度的增加而減小，說明增加防滲墻的厚度和入巖深度，可以取得更好的防滲效果。但是，隨著防滲墻厚度和入巖深度的增加，降低單寬滲流量的作用會明顯降低，而施工成本會大幅增加，結合施工設計中5.27×10-4m3/s的單寬滲流量允許值，認為厚0.8 m，入巖深度 2 m的防滲墻參數設計最為合適。

圖2 單寬滲流量隨防滲墻入巖深度的變化曲線

圖3 防滲墻底部滲透坡降隨防滲墻入巖深度的變化曲線

3.2 防滲墻底部滲透坡降計算結果與分析

利用構建的有限元模型，對不同計算工況下的防滲墻底部滲透坡降進行計算，并根據計算結果，繪制出如圖3所示的防滲墻底部滲透坡降隨防滲墻入巖深度的變化曲線。由圖可知，在增設防滲墻之后，在防滲墻的底部會出現比較顯著的滲透坡降集中現象，當防滲墻的入巖深度小于8 m的情況下，防滲墻底部滲透坡降會隨著入巖深度的增大而減小，當入巖深度大于8m時防滲墻底部滲透坡降會隨著入巖深度的增大而增大，特別是入巖深度由10 m增大到12 m的過程中，防滲墻底部滲透坡降出現驟增的特征，并超過25的允許值。究其原因，主要是隨著入巖深度的增加，防滲墻下部的水流滲流通道不斷減小，從而造成滲流速度的增大，由此造成的局部水頭損失和底部水頭差的疊加，導致該部位滲透坡降的上升，特別是防滲墻接近微風化巖層時，其底部的滲流通道變得極小，因此產生極大的滲流速度，進而導致滲透坡降的驟然增加。由此可見，從防滲墻底部滲透坡降這一要素來看，過大的入巖深度并不利于大壩安全，最佳入巖深度應該在2～10 m。

3.3 壩腳逸出點滲透坡降計算結果與分析

利用構建的有限元模型，對不同計算工況下的壩腳溢出點滲透坡降進行計算，并根據計算結果，繪制出如圖4所示的壩腳溢出點滲透坡降隨防滲墻入巖深度的變化曲線。由圖可知，壩腳溢出點滲透坡降隨防滲墻入巖深度的增大而減小，但是減小的速率先快后慢。究其原因，主要是增加防滲墻的入巖深度，會顯著增加水體的滲流長度，從而造成水頭損失，最終導致滲透坡降的減小。從具體的數值來看，防滲墻厚度0.8 m，入巖深度2 m的情況下，防滲墻底部和壩腳溢出點的滲透坡降均小于允許值，而進一步增加防滲墻的厚度和入巖深度，無疑會大幅增加施工成本和難度。同時，入巖深度過大，還會大幅增加基巖對防滲墻的約束作用，對防滲墻的應力控制不利。因此，防滲墻厚度為0.8 m，入巖深度2.0 m最為經濟合理。

圖4 壩腳溢出點滲透坡降隨防滲墻入巖深度的變化曲線

4 結 論

(1)壩基的單寬滲流量隨著防滲墻的厚度和入巖深度的增加而減小，說明增加防滲墻的厚度和入巖深度，可以取得更好的防滲效果。

(2)防滲墻底部滲透坡降會隨著入巖深度的增大呈現出先減小后迅速增大的特征，過大的入巖深度并不利于大壩的安全穩定。

(3)壩腳溢出點滲透坡降隨防滲墻入巖深度的增大而減小，但是減小的速率先快后慢。

(4)結合模擬計算結果以及工程的經濟性，認為防滲墻厚度為0.8 m，入巖深度2.0 m最為經濟合理。