土工膜防滲堆石壩滲流場影響因素有限元模擬

黃國毅

（中達（福建）建設服務有限公司,福建 泉州 362000）

1 引言

隨著我國水利水電工程的快速發展,大量的土石壩和堆石壩被修建在具有好滲透性的覆蓋層地基之上。防滲問題成為影響大壩安全運營最重要的因素之一。溫立峰等[1]采用現場實測數據和有限元軟件模擬研究了堆石壩地基防滲墻的塑性損傷規律,結果表明,堆石壩可能在底部或靠近兩岸部位發生拉伸或剪切失效破壞。張成和牟猷[2]基于現場實測數據,分析了面板堆石壩蓄水期壩基滲流特性,結果表明,采用滲壓計實測滲壓水位評價壩體安全是一種比較可靠的手段。申艷等[3]采用數值模擬研究了水庫結冰對于防滲面板的影響,結果表明,施加冰荷載前后對壩體的應力、應變和位移影響非常小。張西克等[4]研究了泰山水電站堆石壩的滲流特性,結果表明,三維數值模擬可以合理描述堆石壩的滲流特性。張博和李偉[5]以羊曲水電站堆石壩為例,采用有限元模擬了壩體及其壩基的三維穩定滲流場特性。王文姣[6]基于ABAQUS數值有限元,研究了深覆蓋層地基面板堆石壩防滲墻應力與變形,結果表明,數值模擬可有效合理地描述壩體的應力應變特性。邵磊[7]建立有限元模型,研究了防滲墻結構的滲流特性,結果表明,水位變化使防滲墻產生順河向水平撓度,是引起壩體及防滲墻變形的主要原因。付興友等[8]分析了瀑布溝高堆石壩基礎防滲墻監測數據,結果表明,防滲墻工程是確保大壩安全運營最為重要的因素。本文依托某實際堆石壩,采用數值模擬研究影響該壩體滲流特性的關鍵要素,建立防滲深度和上覆層巖土體滲透系數之間的相關關系。

2 工程概況數值模型

本文研究的堆石壩高56 m,頂寬8 m,壩頂高程2946 m,上游坡比和下游坡比均為1∶1.8。上游正常蓄水位為2945 m。采用1.2 mm復合土工膜進行防水。土工膜下層為0.4 m墊層。壩基表面鋪筑2 m厚度的反濾層。覆蓋層厚度為110 m,防滲墻厚度為82.5 m。

典型二維有限元模型見圖1。劃分網格總數和節點總數分別為3950 個和4110 個。模型邊界為：上游壩面為給定的水頭邊界,下游壩面為逸出邊界,其余邊界為不透水邊界。土工膜的滲透系數為1.0×10-9mm/s、墊層和堆石區滲透系數分別為3.0×10-2mm/s和1.0 mm/s,反濾層和防滲墻的滲透系數分別為3×10-1mm/s和1.0×10-6mm/s,覆蓋層和基巖滲透系數分別為1.0×10-2mm/s和1.0×10-4mm/s。

圖1 堆石壩有限元模型

3 結果與分析

3.1 防滲墻深度影響

為了分析防滲墻深度對壩體滲流特性的影響,本文考慮覆蓋層厚度為110 m,防滲墻深度分別為27.5 m、55 m、82.5 m、93.5 m和110 m工況下防滲墻的防滲效果差異性。其中前4種為懸掛式防滲墻,最后一種為截斷式防滲墻。圖2匯總得到不同防滲墻深度下壩體滲流量、膜后浸潤線高度和逸出坡降隨防滲墻深度變化曲線。

圖2（a）表明,當覆蓋層厚度為2.0H（H=55 m,下文沿用該種表達方式）時,總滲流量隨防滲層深度增大而減小,當防水墻形式由懸掛式變為截斷式時,大壩滲流量發生突變。滲流量的變化均為防滲墻下部繞滲量的減小。圖2（b）表明,膜后浸潤線高度隨防滲墻深度變化規律與圖2（a）基本一致。整體看,膜后浸潤線高度由5.4 m減小至0.32 m,逸出坡降由0.34 減小至0.02（圖2（b））。總體結果表明,防滲墻深度增加會延大滲流路徑,增強防滲性能。當防滲墻深度大于0.9H時,滲流量、浸潤線高度和逸出坡降降低,可大大提高壩體穩定性。

圖2 防滲墻深度對滲流場影響

3.2 覆蓋層厚度的影響

考慮防滲墻深度為1.5H,覆蓋層厚度分別以0.5H為模數遞增,從1.5H增大至6.0H時,覆蓋層厚度對大壩滲流特性影響。圖3匯總得到不同覆蓋層厚度工況下,大壩滲流量、膜后浸潤線高度及逸出坡降變化規律。圖3（a）表明,滲流量隨防滲墻深度增大而增大,由截斷式防滲墻的總流量1.7×10-5m3/（s·m）增加至3.9×10-5m3/（s·m）。此外,膜后浸潤線高度隨覆蓋層深度增加而增大（圖3（b））,具體表現在,當覆蓋層深度為2H時發生急劇增大隨后趨于穩定的趨勢。最終浸潤線高度由0.32 m增大至3.5 m。此外,逸出坡降也表現出相同的趨勢,由0.02增大至0.25。總體來看,覆蓋層增大對壩體的安全運營不利,但這種影響隨著覆蓋層深度增大而趨于緩和。

圖3 覆蓋層厚度對滲流場影響

3.3 覆蓋層滲透系數的影響

控制覆蓋層厚度為1.5H和2.0H,匯總得到覆蓋層滲透系數不同取值時,滲流量、膜后浸潤線高度和逸出坡降的變化規律見圖4。結果表明,滲流量逸出坡降以及浸潤線高度隨覆蓋層滲透系數增大而增大。以滲流量為例,當覆蓋層滲透性由小增大時,大部分滲流量由防滲墻端部擾流而來。當滲透系數由1.7×10-5m3/（s·m）增大至1.6×10-3m3/（s·m）時,對應的流量增大幅度為81.3%～99.4%。此外,浸潤線高度和逸出坡降分別增大幅度為0.41 m～9.60 m和0.03～0.50。總體結果表明,覆蓋層滲透系數越大,對大壩的安全運營越不利。

圖4 滲透系數對滲流場影響

3.4 滲流量控制分析

圖2和圖3結果表明,防滲墻深度增大或覆蓋層深度增大時,總的滲流量發生增大,本節對滲流量控制進行討論。定義滲流量控制率：

式中：Q為懸掛式防滲墻滲流量；Qmin為無防滲墻對應的總滲流量；Qmax為截斷式防滲墻對應的滲流量。

選取不同防滲墻深度下,滲流量控制率和相對防滲深度關系曲線見圖5。結果表明采用懸掛式防滲墻時,如果覆蓋層滲透系數大于1×10-2mm/s時,必須要增大防滲深度才能有效控制滲流量。以滲透系數為1×10-1mm/s為例,相對防滲深度至少需要達到0.9以上,才能保證滲流量控制率大于75%。反之,當滲透系數較小時,則比較小的防滲深度即可達到較好的滲流量控制效果。以滲透系數為1×10-3mm/s為例,相對防滲深度達到0.4即可保證滲流量控制率大于75%。

圖5 滲流量與相對防滲深度的關系

進一步提取出不同覆蓋層滲透系數下滲流量控制率達到75%以上的相對防滲深度,繪制出覆蓋層滲透系數與相對防滲深度的對數關系曲線見圖6,結果表明,兩者在對數坐標上滿足線性關系,表達式為：

圖6 相對防滲深度與滲透系數擬合關系

式（2）表明,對于較深覆蓋層上的壩面土工膜防滲堆石壩而言,在測得覆蓋層滲透系數后,采用該擬合式可得到滲流量控制率大于75%以上的防滲墻深度。此外,通過防滲墻深度、覆蓋層厚度以及覆蓋層滲透系數進行滲透控制效果評價。

4 結論

本文基于數值模擬,研究了覆蓋層上復合土工膜防滲堆石壩的滲流特性影響因素,得到如下幾點結論：

（1）防滲墻深度和覆蓋層厚度和對應的滲透系數對壩體的滲透性能影響較大,其中對總滲流量影響最大。一般而言,滲流量隨防滲深度增大先緩慢減小而后急劇減小；當防滲墻相對高度大于0.9時,滲流量和浸潤線高度明顯降低,從而有利于大壩的安全運營。

（2）覆蓋層滲透性較大時,需增大防滲墻深度才能起到較好的滲流量控制效果。以滲透系數為1×10-1mm/s為例,相對防滲深度至少需要達到0.9以上,才能保證滲流量控制率大于75%。反之,當滲透系數較小時,則比較小的防滲深度即可達到較好的滲流量控制效果。以滲透系數為1×10-3mm/s為例,相對防滲深度達到0.4即可保證滲流量控制率大于75%。

（3）覆蓋層滲透系數與相對防滲深度在對數坐標上滿足線性關系,提出的擬合公式可對堆石壩的滲流量控制效果進行評價。