不良地質條件下的土石壩滲流穩定性分析

孟 源

（山西省水利水電工程建設監理有限公司，太原 030002）

0 引 言

受中國西部省份的自然條件和環境因素限制，目前眾多的大壩修建于深厚覆蓋層這種特殊地基上，大壩基巖的滲透性和巖土體力學性質對壩體施工和運行安全起到非常關鍵的作用。即便大壩完建，運行期水的滲透擾動對基巖體力學性質的改變，也是壩體安全穩定運行的重要安全隱患。在壩工界因壩基滲流控制不當，安全事故常發。在水利工程的建設和安全運行中，壩基滲流為有壓滲流，當滲透坡降或滲流速度超過某一限值時，大壩壩基和兩岸巖土體將會產生滲透變形，若滲透變形控制不力變形增大至限定值，壩體將出現混凝土裂縫，嚴重時威脅安全穩定性。故不良地質條件下修建大壩，其滲漏變形及穩定問題壩工設計的一大關鍵技術問題[1-3]。

在地質條件較差且高滲透率的深厚覆蓋層地基上筑壩，防滲體系的建立是重中之重，多種防滲結構的科學設置，防滲體與基巖及兩岸巖體等防滲的薄弱環節是一關鍵問題，通常該接觸位置的滲透變形包括防滲體的接觸面剝蝕和沿接觸面的沖刷兩種嚴重破壞。國內多為專家學者進行研究，王啟國對虎跳峽的深厚覆蓋層成因及演化方面深入研究，分析這類地質特性。楊天俊等對寶興電站壩的地質成因、結構特性、結構類型、厚度變化等進行專題研究，總結出深覆蓋層特殊地質方面的共性問題及治理措施[4-6]。白勇等基于有限元法數值模擬深覆蓋層地基的防滲體系設立及滲流控制方面研究，對接觸面的沖刷和剝蝕破壞分析研究，從施工技術和工程造價方面總結出不同防滲體系下的滲流控制措施。

1 土石壩滲流控制分析

已知土石壩滲流的實際滲流域，利用有限單元法的代數方程，根據變分原理進行求解，相關滲流場解表達為：

式中：П(h)泛函；Ω1滲流實域；[k1],{h1}和{Q1}滲流實域總矩陣、結點水頭列陣和等效流量列陣。

計算迭代時，對滲流的虛域、虛單元及過渡單元的虛域消解，最終得到結果，有限元迭代式為：

式中：[k],{h}和{Q}是計算域導矩陣、結點水頭列陣、流量列陣；{VQ}=[k2]{h}為結點虛流量列陣。

確定初始自由面位置，整體迭代過程基于下式：

式中：it迭代步數。

迭代時若考慮{Q2}it，不同等效流量列陣計算式如下：

可能滲流逸出面的處理：各向同性土壩的浸潤面內飽和區控制方程為：

H為總水頭。

模型底部和自由面滲流邊界定義為：

N為外邊界外法線方向。

計算范圍的兩側邊界水頭為：

浸潤逸出面的水頭條件是：

有限元法的模型基本控制方程是：

通過變分法或加權殘值法積分方程后分塊離散，可得節點水頭控制方程，迭代計算后為滲流自由面。

2 工程實例

2.1 工程概況

某水利樞紐由瀝青心墻壩、左岸電站廠房和引水發電系統組成，主要效能為生態補水兼顧發電功能，規模為Ⅱ等大（2）型工程，攔河壩最大壩高82 m，水庫的總庫容8.67 億m3，正常蓄水位2966m，死水位為2810m。電站的總裝機容量是100MW，年發電量有3.26 億kW·h。大壩建于深厚覆蓋層（130 ～150m）上，兩岸基巖為非可溶性巖石，庫岸山體無分水嶺存在，基巖整體較完整，左、右壩肩基巖單位吸水量均值為0.24L/min·m·m、0.13L/min·m·m，屬中～強透水層，透水性差異明顯。

2.2 邊界條件及計算參數

本文計算采用大型工業有限元計算軟件ADINA，該軟件模塊中的溫度場和滲流場建模原理相似，建模時替換土體介質為溫度場介質、土體滲透系數為熱傳導率、滲流總水頭函數替換環境溫度，域內熱源密度定義為零，邊界條件為已知水頭和滲透流速。本節基于ADINA.T 模塊對正常蓄水位的大壩不同垂直防滲體系進行二維穩定滲流分析。邊界條件：壩體兩岸及基礎不透水邊界，壩體與上、下游面為水頭邊界。Y 軸為順河流方向，從上游指向下游為正；Z 軸為垂直方向，豎直向上為正，模型分別取壩踵向上游和壩址向下游1.5 倍壩高，數值方向取基巖下82m。壩體及基巖各材料滲透系數值見表1。

表1 材料滲透系數表

為了便于滲流分析計算，在不影響計算結果的前提下對研究模型作了一些假定：

1）假定河床剖面沿壩軸線方向保持不變，計算結果中滲漏量不包括繞壩滲漏量。

2）因泄洪洞出口處水位較低，下游水位取壩址處的地下水位2888m，由于大壩蓄水后該水位有所提高，從滲流計算方面分析，假設地下水位不提高時，大壩滲漏量和水力坡降都相對抬高大，故假定地下水位不抬高是偏安全的。

3）假設各種材料的滲透性質是各向同性，即kx=ky。

4）典型剖面的壩基復雜深厚覆蓋層進行簡化處理如下。

2.3 計算方案

針對大壩壩基的特殊深厚復雜性，根據工程規范和設計經驗，擬定3 種防滲墻下接防滲帷幕的防滲方案，計算壩基不同防滲體系的滲流場、滲流量和滲透比降，3 種方案如下：

1）方案 1：80m深防滲墻下接70m的防滲帷幕。

2）方案 2：85m深防滲墻下接65m的防滲帷幕。

3）方案 3：90m深防滲墻下接60m的防滲帷幕。

4）方案 4：100m深防滲墻下接45m的防滲帷幕。

2.4 計算結果

從結果可知，防滲墻下接帷幕方案探入基巖內，搭接長度為10m，垂直防滲體系將積砂層和冰磧層滲流隔斷，因防滲帷幕的滲透系數與瀝青心墻和混凝土防滲墻相差3 個數量級，從流網圖可看出滲流量基本分布于防滲帷幕位置。各方案的滲流量和滲透比降計算如表2。

表2 各方案滲流要素對比表

大壩滲漏符合防滲深度增加，滲流量減少的一般規律，當防滲墻達到一定深度，滲流量降低趨勢趨于恒定，方案三以后的單寬滲流量或滲透比降顯示，大壩滲流控制效果降低。分析主要是防滲墻完全封閉覆蓋層，能有效地阻斷水流影響，與單寬滲流量8.5×10-4m3/s·m 比較，滲流量在設計控制標準內。因壩基防滲墻基本透過覆蓋層整體，延長滲徑后降低了壩體浸潤線，下游壩面無逸出現象，有效保障壩體下游的邊坡安全，該防滲體系對降低壩體滲透水頭有顯著控制作用。

滲透作用下，機械力侵蝕和化學溶蝕影響防滲墻的耐久性，水力梯度變化為根本原因。根據試驗表明，高強混凝土防滲墻的允許水力坡度Jp可達80 ～100。參考國內黃河小浪底混凝土防滲墻設計Jp=92。擬定該工程的壩基混凝土防滲墻允許水力坡度Jp=80，上述防滲墻設計均滿足要求。

為避免大壩和基巖結合部位產生集中滲漏或者接觸沖刷，灌漿帷幕常要深入不透水層基巖的一定深度，按照《碾壓式土石壩設計規范》規定防滲帷幕的底部高程應深入相對不透水層5m。國外的阿斯旺、馬特馬克壩等的帷幕體均深入相對不透水層的深度在10m 以上，本文選定帷幕深入不透水基巖深度5 ～10m。為了保證防滲帷幕體不發生機械管涌破壞，能夠足夠對抗滲透水的抵抗和侵蝕影響，正常發揮防滲功能，并保證在設置帷幕后，地基足夠穩定，覆蓋層不發生管涌破壞現象，規范要求防滲帷幕的水力比降要控制在允許范圍內。根據《碾壓式土石壩設計規范》規定：該類深厚覆蓋層建立的防滲帷幕其允許比降為3 ～4。根據工程經驗驗證，在已建類似工程中實際應用取較大值，滲流通過防滲帷幕的最大水力坡降區間為2 ～10。比如我國密云水庫選取6.0；印度吉爾納壩選用10.0；法國克魯斯登壩選取8.3。隨著豎直防滲深度的加大，一般防滲帷幕體水力坡降的允許值可適當的提高，因該工程深厚覆蓋層的地質復雜性，透水性差異較大，地質勘察顯示地基中有大孤石、砂層和架空現象。綜合考慮，本工程防滲帷幕體設計允許水力坡降為5 ～6。4 種不同設計方案的滲透比降均在控制范圍之內，滿足滲流穩定性要求。

綜合認為，選址在深厚覆蓋層地基上的土石壩，垂直防滲方案可有效地截斷滲流，在技術實現性和經濟合理性的前提下，優先設計垂直防滲方案。從控制滲流量方面來看，防滲效果垂直防滲墻要優于水平鋪蓋。防滲墻下接防滲帷幕的方案可有效截斷壩基滲透水流，是水工設計壩基防滲的一種切實可行的處理措施，在國內外多個水利工程中得以有效驗證。本文所采取的方案1、2、3 的防滲墻防滲帷幕的垂直防滲體系對大壩的滲流控制效果顯著，當繼續加深防滲墻或防滲帷幕，滲流量降低趨于定值，且工程投資將增大。故推薦方案3 作為大壩防滲體系設立的最佳垂直防滲措施。

3 結 論

文章介紹了土石壩滲流分析控制方程及定解條件，闡述了巖土體中水滲流影響的基本原理及運用固定網格法計算滲流逸出面和滲流面中的具體計算過程，基于實際工程建立深厚覆蓋層地基上的大壩有限元模型，運用軟件ADINA 的ADINA.T 模塊建模并計算四種不同垂直防滲體系下，土石壩的滲流量、滲流比降及壩體浸潤線，通過不同方案的比選分析能夠阻斷壩基滲流的最佳垂直防滲措施，對該工程防滲體系的設計優化和施工具有一定的指導作用。