高土石壩雙防滲墻滲流特性研究

徐 穎，王 偉，李 艷 玲，楊 哲，盧 祥

(1.四川大學 水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川 成都 610065； 2.四川大學 水利水電學院，610065； 3.四川水利職業技術學院，四川 成都 611231)

0 引 言

防滲墻是一種重要的垂直防滲手段，其具有防滲性能好、防滲效果可靠等優點，在土石壩基礎處理中得到了廣泛的應用[1-2]。對于一些地質條件復雜的高土石壩工程，由于水力梯度等的限制，往往選用雙防滲墻的防滲型式，如九甸峽[3]、瀑布溝[4]、長河壩[5]、三峽工程二期圍堰[6]等。實踐表明，雙防滲墻防滲效果較好，但雙排防滲墻的滲透系數、墻底帷幕深度及墻幕組合形式等對滲流場的影響規律較為復雜，因此雙排防滲墻的布置設計也是壩工領域研究最多的課題之一。

郭成謙[7]利用電擬試驗研究了雙防滲墻的間距及滲透系數比對防滲效果的影響，并提出了設計原則；Liu等[8]采用TEPM模型分析了瀑布溝不同防滲墻與廊道連接型式的應力分布，得到“可動連接”型式下主應力更??；邱祖林等[9]對雙防滲墻的應力應變特性進行了分析，并基于此對兩墻的材料參數給出了建議；張飛等[10]通過計算得出雙防滲墻比單防滲墻在應力變形上安全可靠度更高；李斌等[11]對比分析了防滲墻數量、厚度和布置型式，優選了雙墻前后布置、副墻位于上游的方案；王正成等[12]進行了雙排防滲墻的防滲效果試驗，發現深度較大的防滲墻消減水頭更大，采用“前短后長”的布置形式能更有效降低滲流量和出逸坡降；鄒德兵等[13]對心墻與壩基防滲墻的連接構造進行了研究，指出宜采用主防滲墻廊道式、副防滲墻插入式布置。這些研究為完善雙防滲墻的結構設計理論和方法提供了較好的參考，但實際工程中常出現副防滲墻實際折減系數遠小于設計值，主防滲墻滲透坡降偏高，墻間水位較高的情況，因此研究雙防滲墻對壩基滲流分布的影響規律意義重大。

滲流計算常用的方法有解析法、圖解法和數值計算方法。本文采用ABAQUS構建瀑布溝高土石壩的壩-地基滲流分析模型，設置不同的滲透系數組合和不同的帷幕深度組合方案，開展數值模擬試驗，探索雙防滲墻的滲透系數及下接帷幕深度對壩基滲流分布的影響，以期為同類工程防滲體系設計和滲流監測資料分析提供參考。

1 滲流分析原理

(1) 滲流基本微分方程。忽略慣性作用下，三向異性的多孔介質土體中發生滲流時，滿足達西定律，表達式如下：

(1)

式中：vx，vy，vz為3個方向的滲流流速；kx，ky，kz為3個方向的滲透系數；h為水頭損失。

又根據質量守恒定律，可得滲流連續性方程：

(2)

式中：ρ為水的密度；n為土體孔隙率。

考慮流體的不可壓縮性，則式(2)可簡化為

(3)

將式(1)代入式(3)，得穩定滲流微分方程：

(4)

當滲透系數為常量，且假設土體具各向同性，即kx=ky=kz，則穩定滲流微分方程可簡化為

(5)

(2)微分方程的定解條件。定解條件分為邊界條件和初始條件，其中邊界條件分為3類：

水頭邊界條件：

h|Γ1=f1(x，y，z，t)

(6)

流量邊界條件：

(7)

混合邊界條件：

(8)

實際應用時常將水頭邊界條件作為初始條件，即流場的水頭分布，在開始時刻t=0時對完整流場起支配作用[14]。本文亦采用其作為初始條件。

2 工程概況及計算模型

2.1 工程概況

瀑布溝礫石土心墻壩最大壩高為186 m，壩頂長504 m，壩頂寬14 m，上游坡比為1∶2.0和1∶2.25，下游坡比為1∶1.8。壩基設在覆蓋層上，一共有3層，最大厚度達75.4 m，從上到下依次為：①層為漂(塊)卵石層(Q42)，具有中等-強透水性；②層為含漂卵石層(Q41-1)，③層為卵礫石層(Q41-2)，透水性較強，②層和③層滲透力學性質相似，可簡化為同一層。覆蓋層下是少量花崗巖，弱風化、弱卸荷，具有弱透水性；弱風化基巖下為新鮮基巖，透水性差。

由于壩基河床覆蓋層的透水性較強，大壩上游水頭高達180 m，單道防滲墻承受的水力梯度過大，故采用兩道防滲墻。此外，F2斷層斜切河床穿過壩基，以斷層為界，上部多為淺變質的可灌基巖，因此，壩基防滲采用墻幕結合的形式。主、副防滲墻厚度均為1.2 m，兩道墻中心間距14 m，其中主防滲墻頂與廊道連接，墻底嵌入基巖1.5 m，墻底設50 m深的防滲帷幕；副防滲墻位于主墻上游側，墻頂插入心墻內部10 m，墻底嵌入基巖1.5 m，墻底設10 m深的帷幕，防滲墻與心墻及基巖防滲帷幕共同構成主防滲平面。大壩最大剖面0+310如圖1所示。

圖1 大壩最大剖面圖(單位：m)Fig.1 Maximum profile of the dam

2.2 計算模型及材料參數

選取大壩最大縱斷面，采用ABAQUS建立壩-地基滲流分析模型，如圖2所示。其地基模擬范圍為：上下游方向自坡腳分別延伸2倍壩高，深度方向延伸2倍壩高。離散后的壩-地基體系有限元模型含8 362個單元，其中壩體1 377個，防滲墻及墻底帷幕42個，壩基覆蓋層1 387個，基巖5 556個。滲流分析時上游水位采用正常蓄水位，即壩前水深為180 m。為便于對比分析各種工況下壩基滲流分布情況，在副防滲墻上部選定墻前點a，墻后點b；主防滲墻底部選定墻前點c，墻后點d，具體位置如圖2所示。

圖2 有限元計算模型網格Fig.2 Finite element calculation model grid

計算模型參數來自防滲結構設計報告和參考文獻原始資料[15-16]，大壩各部位及壩基各層材料的滲透系數情況如表1所示，其中允許坡降為120。

表1 大壩及壩基各區材料滲透系數

3 滲流計算分析

為驗證模型合理性，對原設計方案進行滲流計算分析，計算結果如圖3所示。結果表明：原設計方案下防滲墻整體防滲效果良好，總水頭折減系數達92.8%；副防滲墻消減水頭75.8 m，占總水頭的42.1%，主防滲墻消減水頭91.3 m，占總水頭的50.7%，主副防滲墻的最大水力坡降分別為92.9和75.6，均小于允許坡降120。整體設計合理、安全，與工程實際情況相符。

圖3 設計工況下有限元計算結果Fig.3 FEM results under design condition

3.1 防滲墻滲透系數對比分析

在原設計方案的基礎上，設置主、副防滲墻不同滲透系數組合方案共6組。不同防滲系數組合方案計算結果如表2、圖4～6所示。

表2 主、副墻不同滲透系數組合方案計算結果

圖4 水頭損失隨主墻滲透系數的變化Fig.4 Water head loss changing with the permeability coefficient of the main wall

圖5 水頭損失隨副墻滲透系數的變化Fig.5 Water head loss changing with the permeability coefficient of the auxiliary wall

圖6 壩基滲流分布隨主副墻滲透系數比變化Fig.6 Foundation seepage changing with the permeability coefficients ratio

當上游副墻滲透系數保持不變，改變下游主墻的滲透系數時，總水頭折減基本相當，但主、副墻的水頭折減變化較大。降低下游主墻的滲透系數至10-8cm/s對總水頭折減以及主、副墻水頭折減無明顯影響。隨主墻滲透系數增大，主墻的水頭折減減小，副墻的水頭折減增大，當主墻滲透系數增大至10-6，10-5cm/s時，主墻水頭折減從原設計的91.3 m分別降至65.8，17.3 m，折減率從原設計的50.7%分別降至36.5%，9.6%；副墻水頭折減從75.7 m增加到101.3，149.7 m，折減率從原設計的42.1%分別升至56.3%，83.1%。同時，隨主墻滲透系數不斷增大，副墻的最大水力坡降不斷增大，當主墻滲透系數增大至10-5cm/s時，副防滲墻最大水力梯度為151.4，遠大于允許水力坡降120，存在安全風險。

當下游主墻的滲透系數保持不變，改變上游副墻的滲透系數時，總水頭折減基本相當，但主、副墻的水頭折減變化較大。降低上游副墻的滲透系數至10-8cm/s對總水頭折減及主、副墻水頭折減無明顯影響。隨副墻滲透系數增大，副墻的水頭折減逐步減小，主墻水頭折減逐步增大，當副墻滲透系數增大至10-6，10-5cm/s時，主墻水頭折減從原設計的91.3 m分別增至113.0，152.7 m，折減率從原設計的50.7%分別升至62.8%，84.8%；副墻水頭折減從75.8 m降到54.0，14.1 m，折減率從原設計的42.1%分別降至30.0%，7.8%。同時，隨副墻滲透系數不斷增大，主墻的最大水力坡降不斷增大，當主墻滲透系數增大至10-5cm/s時，副防滲墻最大水力梯度為152.3，遠大于允許水力坡降120，存在安全風險。

當主、副防滲墻的滲透系數達到10-7cm/s的量級后，再降低滲透系數對主、副防滲墻折減水頭均無明顯影響，說明壩基滲流分布對其在這個范圍內變化不敏感。當防滲墻的滲透系數在大于10-7cm/s的范圍內變動時，主、副墻滲透系數比值越大，主墻折減系數越小，副墻折減系數越大，相應地，墻間水位越高，副墻水力梯度越大。

3.2 防滲墻下接帷幕深度對比分析

在原設計的基礎上，設置主、副防滲墻不同帷幕深度組合方案共10組。不同帷幕深度組合方案計算結果如表3、圖7～9所示。

表3 主、副墻不同墻底帷幕深度組合方案計算結果

圖7 水頭損失隨主墻下接帷幕深度的變化Fig.7 Water head loss changing with the curtain depth of the main wall

圖8 水頭損失隨副墻下接帷幕深度的變化Fig.8 Water head loss changing with the curtain depth of the auxiliary wall

圖9 壩基滲流分布隨主副墻下接帷幕深度比的變化Fig.9 Foundation seepage changing with the curtain-into rock depths ratio

當上游副墻下帷幕深度保持不變，改變下游主墻下帷幕深度時，總水頭折減基本相當，主、副墻的水頭折減變化較大。當副墻下帷幕深度不變，主墻下帷幕深度在30～50 m范圍變化時對主、副墻水頭折減的影響均較??；但當主墻下帷幕深度進一步減小至10，0 m時，主墻水頭折減從原設計的91.3 m分別降至70.3，44.7 m，折減率從原設計的50.7%分別降至39.1%，24.8%；副墻水頭折減從75.8 m增加到96.6，122.1 m，折減率從原設計的42.1%分別升至53.7%，67.8%。同時，隨主墻下帷幕深度的減小，副墻的最大水力坡降不斷增大，當主墻下帷幕深度減小至0 m時，副墻的最大水力梯度達到121.8，略大于允許水力坡降120，存在一定安全風險。

當下游主墻下帷幕深度保持不變，改變上游副墻下帷幕深度時，總水頭折減基本相當，主、副墻的水頭折減變化較大。當主墻底帷幕深度不變，若增大副墻底帷幕深度至10～30 m，主墻水頭折減從原設計的91.3 m減小到72.4 m，折減率從原設計的50.7%降至40.2%，副墻水頭折減從原設計的75.8 m增加到94.8 m，折減率從原設計的42.1%升至52.7%；主、副墻的最大水力梯度分別為71.9和96.6。當副墻底帷幕深度大于30 m之后，繼續增大副墻下帷幕深度，主、副墻的水頭折減不再有明顯變化。若取消上游副墻底帷幕，主墻水頭折減從原設計的91.3 m增加到114.1 m，折減率從原設計的50.7%增加至63.4%，副墻水頭折減從75.8 m減至53.0 m，折減率從原設計的42.1%降至29.4%；且主墻的最大水力梯度增加至114.1，仍小于允許水力坡降120。

當主、副防滲墻底帷幕深度在0～30 m的范圍內變動時，隨著主、副防滲墻底帷幕深度比值增大，主防滲墻折減水頭和水力梯度增大，副防滲墻折減水頭和水力梯度減小，墻間水頭壓力升高。當帷幕深度大于30 m時，進一步增加帷幕的深度，主、副防滲墻折減水頭均無明顯變化。經分析，主防滲墻底距離新鮮基巖的深度為23.2 m，副防滲墻底距離新鮮基巖的深度為27.6 m，因此當帷幕深入基巖一定程度后，繼續加大帷幕深度無法提升壩基的防滲效果?？傊诜罎B墻底帷幕未深入基巖的情況下，主、副防滲墻底帷幕深度的相對值對壩基滲流有較大影響。

4 結 論

本文基于瀑布溝高土石壩工程對深厚覆蓋層土石壩壩基雙防滲墻的滲透系數及墻下帷幕深度進行計算分析，通過二維模型多種方案對比得出以下結論。

(1)當防滲墻滲透系數小于10-7cm/s時，主、副防滲墻的滲透系數變化對壩基滲流分布的影響不大。當防滲墻的滲透系數大于10-7cm/s時，主、副防滲墻滲透系數相對值對壩基滲流分布有較大影響，主、副防滲墻滲透系數比值越大，副防滲墻的水頭折減和所承受水力梯度越大，墻間水位越低；反之，主防滲墻的水頭折減和所承受水力梯度越大，墻間水位越高。

(2)當防滲墻底帷幕深度未深入新鮮基巖時，主、副防滲墻的帷幕深度的相對值對壩基滲流分布有較大影響，主、副防滲墻底帷幕深度比值越大，主墻水頭折減和所承受水力梯度越大，墻間水位越大；反之，副墻水頭折減和所承受水力梯度越大，墻間水位越低。當帷幕深入新鮮基巖之后，繼續增大帷幕深度，對壩基滲流分布影響不大。

(3)研究成果為后續壩基防滲墻及其他深厚覆蓋層防滲體系結構的布置設計提供了參考，但本文僅對雙防滲墻的滲透系數和帷幕深度進行了分析，墻底帷幕厚度、與大壩防滲體連接型式等對防滲效果的影響有待進一步研究。