新疆阜康抽水蓄能電站攔沙壩防滲墻深度優化及其防滲效果研究

崔博濤，劉小偉，鄧良超，胡小凡

(1.新疆阜康抽水蓄能有限公司，新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆哈密抽水蓄能有限公司，新疆 哈密 839001)

1 引言

增強土石壩壩體防滲能力是土石壩設計的重要技術參數，目前較為通用的技術措施是通過延長滲徑或截阻水流來實現。衡量壩體防滲能力的主要技術參數為滲透坡降、浸潤面高度等。為保障壩體的防滲能力，在壩體施工過程中加入灌漿、防滲墻或土工合成材料防滲等施工工藝。不同地基條件，各種防滲形式的效果相差較大，例如深厚覆蓋層地基，最優的垂直防滲形式是在壩體中增設混凝土防滲墻。目前國內使用混凝土防滲墻來增強防滲能力極為普遍，自1958年至今已有70多座大壩采用混凝土防滲墻形式防滲，成墻面積多達40多萬m2[1]，技術手段及施工工藝達到國際先進水平，防滲效果較為突出，廣泛應用于國內外各種深厚覆蓋層地基環境的大壩工程中。

隨著科學技術發展，學者們借助實驗或數值模擬的方式對混凝土防滲墻防滲效果進行了大量的分析研究，陳慧遠等利用槽內實驗[2]，通過有限元法計算滲流量，來判斷防滲墻的防滲能力。謝新華等搭建滲流模型平臺，通過數值模擬分析研究確定最優防滲墻深度[3]，研究結果得出：對于深厚覆蓋層，地基防滲墻深與墻厚之比約在0.65～0.7范圍內防滲效果最佳。李建華等選取的研究對象為無限深透水地基條件的土石壩[4]，根據邊界元計算原理建立壩基垂直防滲體滲流計算模型，充分利用其滲流場復雜、多變的幾何形狀和邊界條件等特點，分析研究得出近似的滲流量。上述的分析研究過程中，均未能考慮工程地質條件的復雜性，模型計算參數未能與工程實際相結合，防滲墻滲流量計算結果與工程實測誤差較大。鑒此，本文參考阜康抽水蓄能電站工程實際，選取土石壩工程防滲墻深度作為主要參數，采用三維有限元法計算分析防滲墻深度對滲流計算結果的影響，分析其參數敏感性，進而優化防滲墻深度。

2 工程概況及材料參數

2.1 工程概況

2.2 材料參數

壩基巖體各層滲透參數見表1，壩體各料區滲透參數見表2。

表1 壩基巖體各分層滲透系數

表2 壩體各料區滲透系數

3 計算方法

3.1 建立模型

(1)建立模型坐標系和控制范圍

借用三維非穩定飽和-非飽和滲流有限元計算分析程序CNPM3D對計算模型進行三維有限元非穩定滲流分析。根據實際控制坐標建立計算坐標系如下：模型坐標原點選在2-2剖面(Y=122)與攔沙壩壩軸線的交點處；沿河流方向取為X軸，垂直于壩軸線方向，以上游指向下游為正方向；沿壩軸線方向為Y軸，以右岸指向左岸為正方向；Z軸為垂直方向，向上為正，與高程一致。

根據滲流分析的一般原則確定計算模型的范圍和邊界。上、下游邊界：壩軸線以上400 m為上游邊界，壩軸線以下300 m為下游邊界；左、右岸邊界：左邊界截取至左壩肩以左150 m，右邊界截取至右壩肩以右200 m；頂高程取實際地形，底高程截至1665 m。模型截取范圍見圖1。

圖1 計算模型截取范圍及剖面位置示意圖

(2)生成計算模型網格

本次計算網格劃分采用“控制斷面超單元有限元網格自動剖分法”進行[5]，生成有限元計算信息。主要流程是：對影響因素較高的區域建立少量的典型控制斷面，對該區域的地質結構和建筑結構進行細致分析，通過這些控制斷面構成超單元，用自編網格自動剖分程序對超單元進行細剖，從而最終生成有限元網格。三維有限元模型網格見圖2，防滲墻有限元網格見圖3。

圖2 三維有限元網格圖

圖3 防滲墻有限元網格

(3)邊界條件

在穩定滲流期，滲流分析的邊界類型主要有已知水頭邊界、出滲邊界及不透水邊界三種[6-7]：

由于大體積混凝土自身重量大，施工規模大，產生的應力也較大，所以，為了能夠足以支撐大體積混凝土的重量，需要確保板底支撐結構的穩定性并進行相應的簡算以確保安全。根據現場施工管理經驗，對于承重結構穩定性及沉降應編制專項方案并進行專項設計和檢算。如果沒有進行專項設計和檢算，由于板體不均勻沉降，會使大體積混凝土應力無法釋放，造成之后的混凝土會不斷產生裂紋。另外，這些裂紋會出現在混凝土終凝之前，此時的力度也不夠足以產生抵抗力。

1)已知水頭邊界包括壩址區上下游水位線以下的水庫庫岸和庫底、壩體上游坡和下游坡、河道，以及給定地下水位的截取邊界；

2)出滲邊界為壩址區上下游水位線以上的左、右岸山坡面，以及壩體上、下游坡面和壩頂；

3)不透水邊界包括模型上下游兩側和左右岸兩側截取邊界除給定地下水位以外的部分邊界以及模型底面。

3.2 防滲效果分析

根據阜康抽水蓄能電站下水庫工程的實際情況，采取校核洪水位下形成穩定滲流情況進行計算，校核洪水位為1812.5 m，下游水位為下水庫死水位1743 m。對現有垂直防滲墻深度方案開展敏感性分析，分析防滲墻深度對壩體、壩基滲流場的影響，提出合理的優化布置方案。具體布置方案見表3，結果見圖4～圖7。

表3 防滲墻方案三維穩定滲流敏感性分析

圖4 防滲墻底高程1745 m攔沙壩中央剖面位勢圖

圖5 防滲墻底高程1755 m攔沙壩中央剖面位勢圖

圖6 防滲墻底高程1765 m攔沙壩中央剖面位勢圖

圖7 防滲墻底高程1775 m攔沙壩中央剖面位勢圖

3.3 計算結果分析

3.3.1 壩址區滲流場

各工況下混凝土防滲墻削減水頭百分率見表4，這里削減水頭百分率按下式計算：

表4 各工況下混凝土防滲墻削減水頭百分率

削減水頭百分率=H上防滲墻-H下防滲墻/(H上-H下)×100%

式中：H上和H下和分別為攔沙壩所對應工況下的上下游水位，H上防滲墻和H下防滲墻分別為防滲墻前后壩體內浸潤線最高位置。

由圖4～圖7壩體剖面地下水位勢分布圖可見，浸潤面在混凝土防滲墻上下游形成了突降。表4給出了攔沙壩中央混凝土防滲墻壩體內上下端浸潤面的位置。由表4可知，在防滲墻底高程為1745 m(工況FSQ-1)的工況下，消減的水頭為31.28 m，占總水頭的48.55%，可見混凝土防滲墻的防滲效果還是比較明顯的；防滲墻深度分別減少10 m(工況FSQ-2)、減少20 m(工況FSQ-3)以及減少30 m(工況FSQ-4)的工況下，削減的水頭分別為18.96 m、14.03 m、9.38 m，分別占總水頭的27.28%、20.19%、13.50%。

3.3.2 壩體和壩基的滲透坡降

攔沙壩中央壩體和壩基各料區的最大滲透坡降見表5。

表5 中央壩體和壩基各料區的最大滲透坡降

由表5和攔沙壩中央橫剖面的位勢圖可見，在各種工況下，混凝土防滲墻的滲透坡降最大，壩基各料區的滲透坡降較小，由于浸潤面低于攔沙壩建基面，因此壩體處于非飽和狀態，壩體內各材料分區滿足滲透穩定要求。

由表5可知，在防滲墻深度分別減少10 m(FSQ-2)、減少20 m(工況FSQ-3)以及減少30 m(工況FSQ-4)的工況下，混凝土防滲墻的滲透坡降越來越小，壩坡出逸處的滲透坡降越來越大，當防滲墻深度減少30 m(即底高程1775 m)時，壩坡出逸處的坡降為0.264，已經大于允許滲透坡降0.2，此時壩坡發生滲透破壞。

4 結論與建議

(1)防滲墻深度減少10 m以及減少20 m對總滲透流量影響不大；防滲墻深度減少30 m時，壩體浸潤面抬高，滲透流量有了明顯增大，防滲墻部分失效或者施工質量差會導致流量大幅增加，因此控制混凝土防滲墻的施工質量是必要的。

(2)由防滲體敏感性分析可知，采用垂直防滲墻(底高程1765 m)可滿足防滲要求。