對深厚砂卵礫石透水壩基滲流的控制方案分析

木合塔爾·坎吉

(新疆克孜爾水庫管理局，新疆 阿克蘇 842313)

1 數值模型

1.1 穩定滲流場方程及定解

在不考慮水和土自身的壓縮性的穩定滲流場歸屬Darcy′s Law(線性滲流定律)中的二維形式的非均質的各向異性土體滲流，對其的具體有效控制的方程和邊界的條件可以使用式(1)～式(2)代表：

(1)

(2)

式中：h(x,z)為實際的需求水頭函數；kx、kz為主軸方向為軸的滲透系數；f1為給定水頭；f2為給定流量；Γ1為給定水頭的邊界；Γ2為給定流量的邊界；Γ3為自由面；Γ4為溢出段；n為Γ3和Γ4上任一點的法線方向的矢量。

1.2 計算滲流量

計算二維滲流的流量地時經某斷面滲流量qi如式(3):

(3)

經滲流域的界面滲流量Q如式(4):

(4)

根據以上表述的相關理論，并根據建立的有限元滲流計算的模型加以計算。

1.3 模型的建立

通過對砂卵礫石壩基的分析，總結其主要具有以下特點：不均勻系統高、顆粒渾圓、間隙由細砂進行填充、局部架空等等。本文主要以小河道的壩基進行分析，以某地的水電站的壩基為分析的實際案例進行探討。水電站的壩基主要是由砂卵礫石組成，而覆蓋層的厚度為19.2 m，壩基屬于十分典型的深厚砂卵礫石透水壩基[1]。具體如圖1顯示的壩基剖面圖。

圖1 砂卵礫石剖面

通過研究決定擬用三種不同的方案針對水平鋪蓋和混凝土垂直防滲墻以及聯合防滲的工況開展不同的計算分析，具體內容如下：①水平鋪蓋方案，長度設為L=0 m、10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m。②垂直防滲墻方案，深度設為h=0 m、5.0 m、6.0 m、7.0 m、8.0 m、9.0 m、10.0 m、12.2 m。③聯合防滲方案，水平鋪蓋0～60 m和垂直防滲墻5～10 m。

設置不同的方案主要為分析應用的效果，使用方案①和方案②主要是為分析水平鋪蓋長度發生變化時滲流場所出現的變化規律，以及垂直防滲墻的深度發生變化時滲流場出現的變化規律。使用方案③的目的是為了分析同時聯合使用水平鋪蓋與防滲墻對滲流場造成的變化影響。在計算時將壩體的滲透系數設為5×10-7m/s、防滲墻的滲透系數設為2.24×10-8m/s、黏土鋪蓋的滲透系數設1×10-5m/s[2]。計算的剖面選擇水電站大壩最寬的位置，因為此位置的滲流最高，最不利于滲流的有效控制。

2 結果和分析

依據上述內容給出的設定對不同的工況防滲與滲流進行研究，圖2是垂直防滲壩基的滲流狀況，根據模型計算的數據對比不同的方案并分析。

圖2 垂直防滲壩基

2.1 滲流場受水平鋪蓋和混凝土垂直防滲墻的影響分析

根據上述制定的方案對水平鋪蓋以及防滲墻對滲流的影響。通過對單寬的滲流量q進行計算最終得出結果如下，q伴隨L的提高而逐漸減少，由0.092 m3/s減少到0.0543 m3/s，下降百分比達到41.5%。而在曲線的變化中顯示呈線性的變化，并且擬合函數L=-6.65×10-4q+0.09，擬合度的因子R2=0.99，由此表明擬合的情況良好。伴隨h的不斷提高，q則從0.092 00 m3/s逐步地減少，h從0 m提高到10.0 m，此時的q則減少38%。h從10.0 m提高到12.2 m，此時q從0.057 m3/s急速減少到0，進而表明，此時的防滲墻從懸掛式轉變成了全封閉式。L=41.66 m，壩基出現的滲流量和h為9.0 m時基本一致，均達到0.062 943 m3/s，而h∶L=1∶4.63，說明1 m 的防滲墻和4.63 m的水平鋪蓋所表現出的實際防滲效果完全一致[3]。

2.2 滲流場受水平鋪蓋和聯合防滲的影響分析

根據上述③的方案進行計算得出以下結果，h一致時，L提高時的滲流量呈現出線性降低的趨勢。并且從模型的分析中顯示出擬合斜率從-6.633 71×10-4逐步平衡下降至-3.124 57×10-4。即伴隨防滲墻深度的不斷提高，滲流量受到聯合防滲的水平鋪蓋長度所造成的影響不斷地減少。

2.3 滲流場受垂直和聯合防滲的影響分析

通過分析方案③的結果，防滲墻和聯合防滲所造成影響具體如下：L一定時，h不斷地提高而致使q不斷的降低。而L=0時，h從5 m提高至10 m時，q則減少28.7%。同樣L=0 m、10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m時，h從5 m提高到10 m，而q下降的百分比則為27.8%和25.5%以及23.5%。而在聯合的防滲中顯示出，水平鋪蓋40 m和垂直防滲墻6 m、水平鋪蓋30 m和垂直防滲墻8 m、水平鋪蓋20 m和垂直防滲墻9 m 與垂直防滲墻只做10 m防滲時的q完全一致[4]。所以，垂直防滲墻為10 m時與水平鋪蓋40 m 和垂直防滲墻6 m、水平鋪蓋30 m和垂直防滲墻8 m、水平鋪蓋20 m和垂直防滲墻9 m的聯合防滲效果完全一致。

3 滲流的控制和討論

3.1 符合興利的滲流方案

依據相關的興利標準和滲透的穩定原則來講，水電站原防滲方案為水平鋪蓋30 m，但是遇到洪水后被嚴重損壞，已不具備防滲的作用。所以，根據水平鋪蓋30 m的防滲為基準，再與上述結果相結合對不同的方案進行研究，進而選擇科學合理且能符合滲流控制的有效方案[5]。

計算方案如下所示：(1)水平鋪蓋L=30 m、40 m、50 m、60 m。(2)垂直防滲墻h=8 m、9 m、10 m、12 m、18 m。(3)聯合防滲：水平鋪蓋20 m和垂直防滲墻6～10 m、水平鋪蓋10 m和垂直防滲墻7～10 m、水平鋪蓋30～60 m和垂直防滲墻5～10 m。根據計算的結果研究分析得出，水平鋪蓋30 m與垂直防滲墻8 m以及水平鋪蓋10 m 聯合垂直防滲墻7 m的防滲效果基本相同[6]。所以在考慮水平鋪蓋容易被洪水所破壞，并且在同等的防滲標準下提出推薦使用垂直防滲墻8 m,又或者采用水平鋪蓋10 m聯合垂直防滲墻7 m的方案進行防滲。

3.2 滲流控制分析

(1)采取水平鋪蓋的方案進行防滲時需要設置防護的措施。增加水平鋪蓋的長度，提高至60 m或60 m以上，對于容易被洪水破壞的問題可以在鋪蓋的最末端加設一道防護坎，并在鋪蓋的上方碾壓糙率大的粒徑較大的砂卵礫石，以此來降低洪水產生的破壞力。此方案的施工程序十分簡便，并且整體的造價低廉。

(2)采取混凝土垂直防滲墻的方案需要較大的貫入度。此方案在對滲流的控制不太顯著，但能減少滲透的坡降程度。而垂直防滲墻可以有效消除洪水產生的破壞，在本研究中的防滲選擇8～10 m 時，貫入度達到0.5以上，而在工程的投入力度允許下可提高貫入度至0.7，進而確保水電站的效益最高。但是，一般情況下不建議運用此方案，由于小型的水電使用引水發電，在攔水壩和發電站間的距離較遠，而河道的地下水被阻斷則對生態的環境發展造成十分嚴重的不利影響[7]。

(3)采取聯合防滲的方案表明，垂直防滲墻為10 m時與水平鋪蓋40 m和垂直防滲墻6 m、水平鋪蓋30 m和垂直防滲墻8 m、水平鋪蓋20 m和垂直防滲墻9 m的聯合防滲效果完全一致。與垂直防滲墻相比而言，使用聯合防滲的方案造價更加低廉，并且防洪的效果遠高于水平鋪蓋，特別是運用水平鋪蓋40 m和垂直防滲墻6 m的方案投入成本最為低[8]。

通過上述的綜合分析表明，針對小河道的深厚砂卵礫石壩基的滲流問題，有效的控制方案必須滿足以下幾點要求，即環保性高、經濟性優、興利、施工容易等等，并且不宜采取全封閉式的防滲方案，使用水平鋪蓋的防滲方案應當提高鋪蓋的長度，并且對其開展周期性的有效監控，進一步保障水平鋪蓋防滲的實際效果，當被洪水造成一定的部分破壞后應當快速地進行修復。而使用聯合的方案進行防滲的控制時制定多種方案供于選擇，但建議使用水平鋪蓋長聯合垂直防滲墻短的方案。

4 結 論

(1)垂直防滲高于水平鋪蓋的防滲效果，1 m的防滲墻和4.63 m的水平鋪蓋所表現出的實際防滲效果完全一致。

(2)伴隨防滲墻深度的不斷提高，滲流量受到聯合防滲的水平鋪蓋長度所造成的影響不斷減少。

(3)聯合方案中的水平鋪蓋長度高出水頭3倍時出逸的坡降變化表現為均勻的降低。

(4)水平鋪蓋40 m和垂直防滲墻6 m、水平鋪蓋30 m和垂直防滲墻8 m、水平鋪蓋20 m和垂直防滲墻9 m與垂直防滲墻10 m時起到的防滲效果基本相同。

(5)小河道在生態環境的發展中具有重要的作用，因此在對滲流進行控制時不可只考慮滲流量與滲透坡降等有關的因素，還需要考慮到生態環境的因素，因此不建議使用垂直防滲墻，可以依據實際的現場情況來科學合理的選擇防滲的控制方案，建議選擇更加優秀的聯合防滲方案。