排水孔和防滲墻對導流壩水力坡降和揚壓力的影響

鄭 祿

(遼寧西北供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110000)

在透水地基上建造的水工建筑物，可能會從建筑物底部滲水，承受由上下游水頭差異引起的揚壓力。上游蓄水越多，滲流越多，對水工結構與地基界面的作用力越大。在新疆，尤其是南疆普遍存在“高地震、高嚴寒、高海拔、高邊坡、深厚覆蓋層、多泥沙”的筑壩環境[1]，隨著建壩需求變化和筑壩技術發展，一旦壩基防滲處理不合格，后期維修將給運行管理帶來極大壓力。導流壩及消力池的揚壓力分布如圖1所示。

圖1 導流壩及消力池的揚壓力分布

在這種情況下，揚壓力可能會傾覆其周圍的水工結構或導致水工結構地板的混凝土表面出現裂縫。滲水易造成水工結構不穩定，這些水工結構的施工需要受到高度重視。因此，應計算施加在整個水工結構和基礎上的揚壓力以及下游出口的水力梯度。降低揚壓力最重要的方法是在上游建造防滲墻，在水工結構下方安裝排水渠，在下游安裝排水孔。

關于防滲墻和排水孔在減少大壩下方滲流方面的作用，已有少量的研究。例如，麥麥提明·依比布拉[2]為分析某水電站混凝土堆石壩滲流場特性，利用Abaqus有限元軟件建立數值模型，研究發現防滲效果與防滲墻深度有關。陳鐳[3]探討了懸索式和封閉式防滲墻的防滲性能，并對厚度、滲透系數等參數進行優化，確定合理的位置分布。游萍等人[4]介紹了在GEO-Seep/W過程中應解決的幾個關鍵問題，并通過數值模擬分析了某邊坡在降雨條件下的蓄水條件和水位變化情況下的滲流場變化，對揭示邊坡失穩機制有一定的指導作用。周衛國[5]對壩基揚壓力及滲流進行了系統地比較分析，結果顯示此項措施對壩基揚壓力、滲流均有明顯的降低。陳博夫等人[6]引入當量長度及附加阻抗概念，分析了帷幕與排水孔的減壓效果，發現二者聯合作用下的揚壓力較防滲帷幕與排水孔單獨作用更為精確，更貼近工程實際。

據我們所知，目前在實驗室條件下還沒有研究過排水孔和防滲墻對土壩下方滲流的同時作用以及對壩體上方揚壓力降低的影響。因此本文采用物理和數值模型研究了排水孔和防滲墻對導流壩下水力梯度和揚壓力降低的影響，利用Seep/W軟件得到了揚壓力和水力梯度的分布規律。

1 材料與方法

1.1 實驗室模型

在本研究中，實驗裝置包括一個長150cm、寬10cm、高60cm的立方體容器、100L的供水蓄水池和4kW的泵。實驗中所用的多孔介質為天然砂。采用標準普氏實驗確定了土壤壓實的最佳水分和最佳能量。此外，在使土壤達到最佳壓實狀態后，通過恒定水頭法獲得導水率。確定多孔介質的平均粒徑為0.55mm、最佳濕度為10.5%、導水率為0.00025m/s。為了使從該水庫流入土箱的水流平靜下來，在2段之間放置了一個格柵板作為過濾器。上游使用了10、15和20cm的3個水頭(h1)，并在滲流池的中部填充厚度為115cm的土壤。

首先，將土壤潤濕至最佳值，然后用厚度為10cm的土層填充，使其達到30cm的厚度。這是在標準普氏實驗中相同的壓實能量和恒定水頭法中相同的導水率下進行的。將長30cm、高27cm有機玻璃制成的導流壩模型安裝在距中間起點30cm處，使壩基長度等于5cm。下游使用長度為55cm、厚度為1cm的有機玻璃板作為消力池，其上表面與上游地板處于同一水平面，并在消力池中以10cm的間隔嵌入4個直徑為1cm的排水孔。

在每個實驗中，首先使用螺釘封閉所有排水孔，經過一段時間并穩定滲流后，使用體積為250cm3(±2cm3)的計量容器在下游測量滲流通量。包含滲流池、大壩、消力池護坦、排水孔和防滲墻的物理模型如圖2所示。

圖2 滲流池、大壩、消力池護坦、排水孔、防滲墻的物理模型

1.2 數值模型

在本研究中，應用GeoStudio軟件中的Seep/W模型進行分析。該模型功能強大且全面，用于滲流分析和估計多孔介質中的揚壓力和水力梯度。使用拉普拉斯方程用于二維穩定流：

(1)

式中，φ—土壤中的水勢；kx和ky—x和y方向上的土壤水力傳導率。

φ實際上是壓力或孔隙水壓力(引起揚壓力的原因)和重力勢的總和。在均質和各向同性的多孔介質中，假設kx和ky相等。首先在Seep/W軟件中繪制多孔介質的幾何形狀，應用適當的邊界條件在左邊的垂線以及上游的土壤表面施加一個恒定的電位(上游的水頭+土層厚度)。右側垂線以及消力池表面的邊界條件也被認為是恒定電位，等于土層的厚度(即30cm)，其余部分被認為是不透水邊界。當排水孔打開時，將其視為滲流點，防滲墻視為不透水界面。為了模擬滲流，用正方形單元對幾何形狀進行網格劃分。采用試錯法，根據實驗結果對數值模型進行校準后，得到最佳單元數為1441。為了將模擬滲流通量與實驗值進行比較，并評估數值模型的效率，使用了相對誤差百分比公式：

(2)

式中，Qexp—實驗的滲流通量；Qsim—模擬的滲流通量。

2 結果與討論

2.1 排水孔

2.1.1滲流

為了評估數值模型的效率，以確保精確估算大壩下方不同位置的揚壓力和水力梯度，將滲流通量的實驗值與模擬值進行了比較，如圖2所示。

圖2 滲流通量的實驗值與模擬值比較

由圖2可知，滲流通量的實驗值(Qexp)和模擬值(Qsim)之間具有良好的一致性，確定系數為0.981，平均相對絕對誤差為4.22%。試驗與數值模擬結果吻合較好，說明了該方法在求解滲流問題時具有較高的應用價值。

2.1.2水力梯度

從數值模型中獲得的單個和組合模式下每個排水孔位置處的水力梯度值如圖3所示。

圖3 3個上游水頭單一模式和組合模式排水孔位置的水力梯度值

在單一模式中，1#排水孔的水力梯度最高，4#排水孔的水力梯度比1#排水孔低約40%。隨著排水孔與壩腳之間距離的增加，單一模式和組合模式中的水力梯度均有所下降。在1#排水孔的二元組合中，當2#排水孔與1#排水孔同時打開時，水力梯度最低。此外，1#排水孔組合的水力梯度不會隨著排水孔數量的增加而顯著變化。1#2#組合模式與1#單一模式相比，1#排水孔的水力梯度降低約12%。在1#2#3#和1#2#3#4#排水孔中，水力梯度幾乎恒定，僅略有降低。然而，在2#與3#或4#排水孔的組合中，由于排水孔與壩腳的距離增加，2#位置的水力梯度顯著增加。在3#排水孔中，2#3#組合模式水力梯度最低，與3#排水孔相比減少了約51.4%。在三元組合中，1#2#3#組合具有較低的水力梯度。在4#排水孔中，二元組合之間沒有顯著差異。然而，最小梯度屬于3#4#組合，與4#的單一模式相比降低了約52.6%。通過增加排水孔的數量并結合4#排水孔，該排水孔位置的水力梯度已降低，并在1#2#3#4#組合中達到最低值。

從數值模型中獲得的所有單一和組合模式的消力池下游水力梯度值如圖4所示。

圖4 上游3個水頭消力池下游水力梯度值

由圖4可知，單一模式排水孔的下游水力梯度幾乎相同，與無排水孔打開時相比，平均值下降了45.4%。二元組合與單一模式相比，下游水力梯度顯著降低，但這種降低與三元和四元組合相比并不顯著。在二元組合中，最低下游水力梯度屬于1#4#和2#4#組合，與無排水孔模式相比減少約70%。然而，二元組合的下游水力梯度之間沒有顯著差異。研究發現，當排水孔和防滲墻結合，排水孔可以更好地發揮積極作用執行下游防滲墻的任務。

2.1.3揚壓力

從數值模型中獲得的單一和組合模式的揚壓力(DPU)的衰減百分比如圖5所示。一般情況下，揚壓力會隨著壩腳到排水孔的距離增加而增加。在單一模式下，在1#和4#排水孔處分別觀察到揚壓力的最大和最小降低值。

由圖5可知，通過組合排水孔并增加上游水頭，揚壓力下降百分比增加。在二元組合中，1#排水孔的組合對揚壓力的降低影響最大。此外，橫向間距對降低揚壓力的影響小于縱向間距。

圖5 3個上游水頭的不同排水孔組合模式的揚壓力變化

最佳組合1#2#與1#單一模式相比，揚壓力降低了約24%。增加排水孔的數量時，揚壓力變化不顯著。因此，對揚壓力的影響方面，1#2#組合僅比1#2#3#組合高7%，比1#2#3#4#組合高9.6%。從最小滲透損失和下游水力梯度來看，1#4#組合是最佳選擇；從排水孔出口水力梯度的數量而言，1#2#組合是最佳選擇，因為該組合水力梯度最低；從降低揚壓力來看，1#2#組合最優。值得注意的是，這種組合對降低揚壓力的影響比1#4#組合高約12.1%。綜上所述，基于降低排水孔水力梯度和揚壓力降低的必要性，1#2#組合是最佳選擇。

2.2 排水孔和防滲墻

防滲墻和1#2#組合對墻末端、下游和排水孔3個位置水力梯度的影響如圖6所示。

由圖6可知，防滲墻將下游的水力梯度降低了20%，而同時使用1#2#排水孔，可以將下游的水力梯度降低70%以上。防滲墻和排水孔的組合可以有效控制排水孔的滲透損失以及下游水力梯度。

圖6 3個上游水頭的防滲墻和1#2#組合對不同位置水力梯度值的影響

使用防滲墻和1#2#排水孔時的揚壓力變化如圖7所示。

圖7 采用防滲墻和1#2#組合后壩下揚壓力的變化

在上游最大水頭20cm下，采用深度為15cm的防滲墻，揚壓力比無防滲墻無排水孔模式降低約28%，而同時使用防滲墻和1#2#組合，揚壓力降低了約72%。

3 結論

本文通過實驗和數值模型研究了導流壩排水孔和防滲墻對壩體上揚壓力和水力梯度的影響。研究結論為：①滲流通量的實驗值與模擬吻合較好；②組合模式下排水孔的水力梯度比單一模式降低的更多；③根據水力梯度和揚壓力的結果，1#2#組合是最佳的選擇；④同時使用防滲墻和1#2#組合對控制下游水力梯度和揚壓力非常有效。

本研究在實驗室條件下研究排水孔和防滲墻對導流壩水力梯度和揚壓力的影響，能夠在改善滲流現象的實際工程中起到一定的指導作用。本文只對1種類型但不同深度的防滲墻進行了分析，后續還可以對不同類型的防滲墻進行組合研究。