基于COMSOL計算下水庫土石壩體滲流特征及防滲墻最優設計研究

寧威鋒

(江門市科禹水利規劃設計咨詢有限公司，廣東 江門 529000)

水工結構滲流安全性是許多水利工程師持續專注于研究的重要課題，滲流可靠性對水工結構的長期穩定運營具有重要意義，而仿真計算分析滲流場變化乃是反映滲流可靠性的一個重要手段[1-3]。利用現場全方位監測儀器對水工結構開展實時數據傳輸反饋，分析相關數據之間聯系以及變化特征，及時為水工建筑提供預警修護參考依據[4-6]。當然，也有一些學者利用原型試驗，在室內開展水工物理模型試驗，分析水工結構破壞過程特征，為水利設計提供重要試驗依據支撐[7-9]。借助數值仿真手段，不僅可以對水工結構的滲流場、應力場展開分析，同樣可以依據不同設計方案，分別對比各個方案下計算結果，探討不同方案之間參數變化對水工結構穩定性影響，為選擇最優方案提供重要參考價值[10-11]。筆者將采用COMSOL仿真軟件，對土石壩滲流場特征以及防滲墻最優設計方案展開計算分析，為工程設計部門加固除險提供一定參考。

1 工程概況

水庫乃是粵西地區重要水資源輸送調度樞紐，為地區農業用水、工業用水以及部分城鄉生活用水提供重要保障，枯水期可提供生活用水量達4000萬m3，保障城鄉居民缺水率不低于警戒線，常年最低缺水率維持在3%以下。該水庫工程采用混合壩體圍堰結構，其中土石壩長度約為425.76 m，占壩體總長度75%，壩體高程為54.3 m，水庫蓄水期最高水位可達54.8 m，另澆筑有大面積混凝土壩體，兩種類型壩體接口處已設置防滲結構系統，該系統采用止水面板與止水材料設置，其中止水面板采用土工布與C25混凝土澆筑形成，個別區域采用固結灌漿的形式加固受拉區，在所有壩體表面均鋪設有土工膜防護層，保證土石壩體滲流穩定性。該水庫所連接輸水渠道總長55 km，渠首采用液壓式閥門精確控制開度，保證渠首流量穩定在0.6～0.7 cm3/s，所連接農業灌區輸水渠道均采用特種混凝土襯砌結構形式，保證輸水效率。現由于該水庫建設時間較久，輸水效率大大降低，而其中又以壩體中土石壩主體結構為首要安全，其滲流穩定性及混合壩體連接處的防滲系統安全性均是重點監測區域，因而工程設計部門考慮增設防滲墻結構，且防滲墻厚度分別按照對比實驗原則，設計分別約為60 cm、80 cm、100 cm、120 cm，其插入基巖層深度分別設定為1 m、2 m、4 m、6 m、8 m、10 m，開展仿真計算分析。

為保證計算準確性，針對該土石壩體研究區段內的地質狀態進行鉆孔勘察，由此可知，壩體場地表面以第四系堆積土為主，層厚達1.5 m，主要由河流沖刷搬運堆積形成，場地內部分區段可見有溝谷等地質體，發育有較多裂隙，部分強風化巖石碎屑在裂隙中夾雜，形成碎屑體，并跟隨溝谷等地質體發生產狀等參數的局部變化。從鉆取處巖樣可知，地層巖體以弱風化花崗巖為主，顆粒粒徑最大可達6 mm，受河流地下水沖刷作用，磨圓度較好，室內測試單軸強度可達60 MPa，液體水介質滲透率可達10～19 m2，表明完整性巖體密閉性較好。與基巖層、堆積土層之間相接觸的土體材料為砂土、粉砂土、砂礫土等泥盆系發育的混合土體，含水量較低，其中砂土粒徑為0.2～4.0 mm，強度相比粉砂土高。砂礫土松散程度較高，透水性較強，并夾有粒徑1.6～6.8 mm的碎石，目前是渠首液壓式閥門的基礎持力層，防滲性較佳。

2 防滲墻滲流基本參數分析

基于滲流理論，結合壩體巖土模型，計算防滲墻滲流場特征。利用COMSOL仿真軟件，采用多種單元體建立壩體三維模型，并針對防滲墻結構專門劃分出有限元計算網格，整體壩體共有41 251個單元網格，節點數40 528個，相關巖土材料模型的滲透參數以及物理力學參數均采用室內試驗結果，其中防滲墻材料滲透系數取值為1.0×10-10m/s。

基于防滲墻不同設計參數工況下仿真計算，獲得各工況下有防滲墻結構下壩體區段內滲流場特征，典型計算結果如圖1所示，其中圖1(a)為無防滲墻結構下壩體內總水頭分布狀態。經計算后可知，當改變防滲墻深度或寬度參數后，實質上壩體內部孔隙水壓力并未有較大變化，各總水頭分布基本上與圖1(b)中一致，但對比有、無防滲墻結構下，兩者具有較大差異：無防滲墻結構下總水頭線均集中于壩腳處，即在該區域存在有較大的水力作用，滲透坡度亦會有較大集中，滲漏極有可能在此處發生，且發生滲漏部位乃是壩體下游區域，對水庫運營穩定性具有較大考驗；而當設置有防滲墻結構后，壩體內總水頭線發生較大逆轉性變化，總水頭等值線集中區域位于防滲墻底部處，即防滲墻較好承擔起滲漏止水作用，滲透坡度均集中于此，減弱了大面積滲漏量對壩體的危害。

圖1 壩體內總水頭分布特征

圖2為有、無防滲墻結構下壩體內部孔隙水壓力變化特征云圖。從圖中可看出，在無防滲墻結構條件下，整個壩體內部孔隙水壓力分布較為均勻，自頂部至底部，隨著水深度增大，孔隙水壓力遞增，且橫貫整個壩體上下游面，最大孔隙水壓力可達1000 Pa；而有防滲墻結構壩體中孔隙水壓力分布呈現上游面高于下游面，以防滲墻所在部位為轉折節點，孔隙水壓力降低，分析認為，防滲墻結構材料滲透系數較低，而壩體自身材料堆石料等材料綜合滲透系數可達10-3m/s，相比之防滲墻結構增大了7個量級，因而孔隙水在壩體內部的運動會在防滲墻結構部位處產生顯著差異性，上、下游面最大孔隙水壓力降幅達60%，防滲墻的存在承受了較多孔隙水壓力的沖擊作用，進而極大削弱了孔隙水壓力對下游滲流穩定性影響。

圖2 壩體內部孔隙水壓力變化特征云圖(單位：Pa)

圖3為不同深度、厚度防滲墻及無防滲墻條件下壩體浸潤線分布特征。從圖中各工況下浸潤線分布特征可看出，無防滲墻結構條件下浸潤線處于較高位置，其所在位置接近壩高2/3，對下游面的安全穩定性具有較大挑戰；當設置防滲墻后，不論防滲墻厚度、寬度等設計參數變化，其浸潤線均顯著比無防滲墻條件下要低，特別是在下游面處最大降低幅度可達83.3%，另外從壩體整體浸潤線分布特征可看出，上游面至下游面浸潤線為“Z”字形，即防滲墻結構部位處出現有較大的轉折點變化，防滲效果良好。對比同一深度不同防滲墻厚度下浸潤線分布特征可知，防滲墻厚度與浸潤線分布高度為負相關，即厚度愈大，可進一步抑制壩體浸潤線的上漲；當處于同一厚度不同深度防滲墻工況下，防滲墻設計深度與浸潤線分布特征亦為負相關，防滲墻深度10 m下浸潤線分布高度相比深度1 m時降低了52.5%,說明設置防滲墻結構可以起到較好的防滲效果。

圖3 壩體浸潤線分布特征

圖4 防滲墻設計參數影響下滲流特征參數變化

3 防滲墻設計參數優化分析

通過分析得知防滲墻深度、厚度愈大，愈有利于壩體防滲效果，但不可忽視防滲墻設計參數愈大，會導致工程成本也進一步增加，因而在保證防滲最佳效果前提下，使工程成本處于最經濟，設計方案才最優。

為對比出最佳設計方案，引入壩基單寬滲流量、防滲墻后作用水頭、防滲墻底部滲透坡降、壩腳逸出點滲透坡降四個滲流特征參數，獲得防滲墻設計參數影響下滲流特征參數變化規律，如圖6所示。無防滲墻結構下壩基單寬滲流量為9.55×10-4m3/s，安全允許值為5.26×10-4m3/s，無防滲墻結構下壩體壩基單寬滲流量過大，超出安全運營區間；結合圖4(a)壩基單寬滲流量變化可知，在有防滲墻結構下，當深度為4 m、厚度為80 cm 時，壩基單寬滲流量為3.98×10-4m3/s，相比無防滲墻工況下滲流量降低了58.3%，當處于同一厚度下，深度增大為10 m時，壩基單寬滲流量相比深度4 m時又降低了66.7%，即防滲墻具有顯著抑制壩基單寬滲流量發展的效果。當防滲墻在同一深度下，厚度變化對寬滲流量影響較弱，在深度為4 m時，厚度60 cm的壩基單寬滲流量為4.76×10-4m3/s，而相同深度下厚度80 cm、100 cm、120 cm的單寬滲流量相比前者分別降低了16.4%、19.8%、27.5%，表明防滲墻厚度對壩基單寬滲流量影響弱于深度參數值。比較同一厚度下壩基單寬滲流量變化特征可知，隨深度增大，單寬滲流量遞減，60 cm、80 cm、100 cm、120 cm 四個不同厚度的防滲墻工況下的單寬滲流量安全區間分別對應深度2.0 m、1.0 m、0.9 m、0.6 m，從參數影響性以及工程經濟性角度考慮，厚度滿足要求，深度可適量增大，即以厚度80 cm、深度2 m為較佳方案。防滲墻設計參數同樣的變化影響規律在水頭值變化曲線中亦是如此，不同防滲墻厚度下水頭變化幅度最大僅為9.7%，而防滲墻深度參數直接作用影響水頭變化最大為36.8%，其中厚度80 cm、深度2 m工況下水頭值為11.98 m，其相比最大水頭降低了20.1%，處于較理想狀態。

比較圖4(c)與圖4(d)中防滲墻底部、壩腳逸出點兩個部位的滲透坡降變化特征可知，防滲墻底部滲透坡降隨深度增大呈先減后增變化，防滲墻深度控制在8 m內時，墻底部滲透坡降持續減少，且滲透坡降參數逐漸由危險狀態進入安全運行區間內，厚度60 cm下，深度0 m時滲透坡降約為58.1，而深度8 m時相比前者降低了76.7%。在深度8 m后，各厚度下防滲墻底部滲透坡降均為上升，且逐漸超過安全允許值，其中厚度60 cm下，深度12 m的滲透坡降相比其最低滲透坡降增大了6.2倍，由此可見，防滲墻深度過大，會造成防滲墻底部滲透坡降急劇性集中，極大影響防滲系統穩定性。當防滲墻深度過大時，會導致防滲墻穿越基巖強風化花崗巖層，到達比較穩定基巖層，此時防滲墻底部滲透通道較小，導致滲流速度急劇膨脹，水頭損失也快速變化，進而帶來滲透坡降集中，因而防滲墻設計參數中深度值不應過大[12-13]。圖4(d)中壩腳逸出點滲透坡降亦是隨深度值遞減，但以深度2 m前減小幅度為最大，厚度80 cm下，深度2 m壩腳逸出點滲透坡降相比深度0 m時降低了55.2%，而深度再次增加2 m，為4 m時，其滲透坡降相比深度2 m時僅降低了22.4%，深度6 m相比深度4 m時變化幅度僅為19.8%，分析原因認為，防滲墻深度增大，會造成水頭徑流長度增大，沿程水頭損失上漲，進而導致防滲墻體抑制滲透坡降作用逐漸減弱，而壩腳逸出點滲透坡降在深度為2 m時已處于較佳的抑制狀態。綜合比較四個滲流特征參數來看，防滲墻深度2 m最佳，而防滲墻厚度由于對滲流活躍性影響較弱，選擇厚度80 cm對應安全性以及工程經濟性均是最合適，因而防滲墻最優設計方案應是深度2 m、厚度80 cm。

4 結 論

(1)分析了有、無防滲墻工況下壩體內滲流場特征，防滲墻具有顯著抑制滲透坡降集中、降低滲漏量發生的作用，有、無防滲墻下壩體總水頭分別集中在防滲墻底部、下游壩腳溢出點，有防滲墻條件下壩體上、下游面最大孔隙水壓力降幅達60%，浸潤線沿壩軸線為“Z”字形，具有較大防滲效果。

(2)研究了防滲墻設計參數對滲流特征參數影響規律，防滲墻深度、厚度均與壩基單寬滲流量、防滲墻后水頭值、壩腳逸出點滲透坡降為負相關關系，但不同厚度下防滲墻底部滲透坡降隨深度為先減后增變化，同一厚度80 cm下，深度10 m時壩基單寬滲流量相比深度4 m時降低了66.7%，而同深度4 m下厚度80 cm、100 cm、120 cm的單寬滲流量相比厚度60 cm時分別降低了16.4%、19.8%、27.5%，防滲墻深度8 m時的墻底部滲透坡降為各厚度下最低。

(3)綜合壩體滲流安全性與工程經濟性，防滲墻深度2 m時壩腳逸出點滲透坡降處于最佳的抑制狀態，而厚度80 cm時可兼顧滲流安全性與工程經濟性，該方案下四個滲流特征參數均處于安全允許區間，滿足安全性設計要求，為最優設計方案。