深厚覆蓋層土石圍堰懸掛式防滲墻參數優化設計

馬發明，盧 澤，陶芳煜，周 鑫，白玉蓮

(1.中國安能集團第三工程局有限公司成都分公司，四川 成都 611135；2. 重慶交通大學水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074)

0 引 言

土石圍堰的滲透穩定一直是水利工程中的重要研究內容，特別是當其建于環境復雜的深厚覆蓋層，其內部滲透穩定更加難以準確分析[1]。圍堰工程作為一種臨時擋水建筑物，應達到保障工程安全、控制工期和成本、減輕環境負效應的總體目標[2]。因而只有充分考慮滲流場在各種因素影響下的動態特點，方能在工程設計、施工和運行的全過程中布置和實施及時、有效的調控措施。

已有成果多基于保障工程安全方面分析了不同擋水建筑及其防滲方案在各種地質環境下的滲流特征及穩定性。如張擁軍等[3]通過對漢江興隆水利樞紐一期土石圍堰滲流分析表明，當采用塑性混凝土防滲墻上接復合土工膜心墻方案，懸掛式防滲墻不能有效控制滲透出逸比降和滲流量，與下部相對不透水層接觸的著底式防滲墻滲流控制效果顯著。盧曉春等[4]對烏東德水電站上游土石圍堰滲流及邊坡穩定性開展了研究，驗證了塑性混凝土防滲墻上接復合土工膜的防滲方案的合理性，防滲效果顯著。王睿星等[5]指出深覆蓋層上高土石圍堰的地基土體、基巖及混凝土防滲墻的滲透系數對圍堰滲流場具有顯著影響。王正成等[6]對深厚覆蓋層中弱透水層對滲流場的影響進行了研究，發現深度越小的弱透水層控滲效果越佳，深度越大的弱透水層與防滲墻形成的半封閉式聯合防滲體系，越能有效控制滲流量和抑制出逸坡降。Sivakugan[7]強調了流速和水力梯度對于評估堰基穩定及基坑排水指標具有重要意義。王常明等[8]發現防滲墻厚度的變化對防滲效果影響較小，防滲墻的入巖深度可有效控制圍堰工程的單寬滲流量和防滲墻后作用水頭。岑威鈞等[9]發現防滲墻深度、覆蓋層深度和滲透性均顯著影響壩基滲流特性。上述研究很好地總結了擋水建筑中堰體、堰基、防滲墻參數等多種對擋水建筑滲流場及穩定性產生影響的因素。

進一步考慮控制工期和成本、減輕環境負效應研究方面，馮亞新等[10]為了合理優化防滲系統的經濟成本，對新疆某深厚覆蓋層上面板堆石壩的防滲帷幕深度、厚度、滲透系數進行了敏感性分析，為堆石壩的滲流分析提供依據。羅玉龍等[11]指出未來應注意深厚覆蓋層中潛蝕時間效應及其長期影響的評價和控制。可見對于深厚覆蓋層土石圍堰，有必要從多種角度分析其滲流特征，在充分保障工程安全前提下，應盡可能考慮工期、成本及環境負效應等方面的因素。在此背景下，本文首先從保障工程安全方面系統地對深厚覆蓋層土石圍堰懸掛式防滲墻的合理設計高度進行了探討，分析了20 a一遇洪水和5 a一遇洪水工況下不同懸掛式防滲墻高度對圍堰滲流特征的影響規律。此外，考慮到工期條件限制，特針對圍堰防滲墻高度為50 m時，堰前不同水位條件下的滲流特征進一步展開分析及論證，以期為該土石圍堰的防滲設計提供參考。

1 工程概況

壩址區位于金沙江上游河段，區內地勢北高南低，兩岸山高谷深，呈現“V”形谷，屬北亞熱帶邊緣氣候[12]。研究土石圍堰位于壩軸線上游200 m處，河床段覆蓋層厚35～58 m，物質組成以砂卵礫石為主，局部夾砂層透鏡體，結構中密～密實，屬強～極強透水性，承載、變形性能滿足圍堰要求。基巖巖性為黑云母石英片巖，風化、卸荷及傾倒變形強烈，上游圍堰地質橫剖面如圖1所示。該圍堰按攔擋20 a一遇洪水設計，設計流量5 960 m3/s，堰前水位2 532.8 m，考慮浪高、安全超高等，堰頂高程2 533.8 m，堰頂軸線長342 m，最大堰高51.8 m，堰頂寬11.12 m。由于工期緊張，設計方案確定為堰體防滲采用土工膜斜墻，堰基防滲采用懸掛式混凝土防滲墻。混凝土防滲墻頂高程為2 502.5 m，圍堰上、下游坡比分別為1∶2.0、1∶1.75，上游圍堰典型剖面如圖2所示。

圖1 上游圍堰地質橫剖面

圖2 上游圍堰典型剖面(單位：m)

2 土石圍堰的有限元模擬

2.1 有限元模型的建立

本文基于二維有限元方法開展了對壩址區上游土石圍堰的建模工作。建模流程如下[13]：①繪制土石圍堰典型剖面幾何輪廓。建立直角坐標系，確定圍堰及地層尺寸參數，選取圍堰上游側坡腳作為原點。②各部分集合體賦予材料參數。③建立分析步。本次分析主要針對穩定滲流條件下的圍堰滲流特征。④定義荷載及邊界條件。⑤對模型進行網格劃分。⑥模型檢驗與計算。

本文主要對邊界條件的設置及網格劃分情況進行說明。對圍堰上游堰坡表面及堰前覆蓋層表面施加隨高程線性變化的孔隙水壓力模擬堰前水位(2 532.8 m)；對堰后基坑表面孔壓為0時模擬堰后基坑水位(2 482 m)；將圍堰下游堰坡表面設為排水界面。計算單元類型為四結點平面應變四邊形單元(CPE4P)。由于只模擬滲流作用，對模型所有節點在X、Y方向均施加約束。最終生成用于進行防滲墻優化設計的基礎分析模型如圖3所示。

圖3 上游土石圍堰二維有限元模型

2.2 模型參數的選取

模型參數主要考慮防滲墻厚度、高度及堰體、堰基的滲透系數。其中防滲墻的厚度δ主要根據防滲墻破壞時的水力梯度來確定[14]。

δ=H/Jp

(1)

Jp=Jmax/K

(2)

式中，H為防滲墻上作用最大水頭；Jp為防滲墻的允許水力梯度；Jmax為防滲墻破壞時的最大水力梯度；K為全系數。根據文獻[8]，以圍堰上下游水位差確定作用最大水頭H為0.8 m；根據工程類比確定Jp在60～100之間，其中安全系數取5，Jmax≥300。通過計算得出防滲墻厚度δ為0.51～0.85 m。考慮到國內外許多相似工程案例防滲墻厚度取值多為0.8 m[15]，且有關研究表明同防滲墻深度的變化相比，防滲墻厚度變化對防滲效果影響并不敏感[8]。故綜合確定本算例圍堰懸掛式防滲墻厚0.8 m。

懸掛式防滲墻最小深度S(基礎埋深)的初步估算可以通過下式確定[14]

(3)

式中，C0為萊茵系數，根據萊茵系數表[14]中壩基土類型表述，C0可暫定為2.5；H1、H2分別為圍堰上、下游水位高度，取值為50.8 m和0 ；L1、L2分別為防滲墻前、后的水平滲徑長度，取值為51.34 m和186.58 m。帶入后，經計算可得懸掛式防滲墻最小深度S≥23.5 m。若考慮堰體中防滲墻埋深20.5 m，防滲墻總高度應不小于44 m。

基巖和覆蓋層的滲透系數參考試驗資料確定，其他材料滲透系數根據工程類比確定，滲透參數如表1所示。

表1 圍堰材料滲透參數 cm/s

2.3 防滲墻參數優化設計方案

本研究皆在針對防滲墻深度參數進行優化設計，探究20 a一遇洪水和5 a一遇洪水2種工況作用下，不同防滲墻深度對圍堰滲流特征(浸潤面位置、水力坡降及滲流量)的影響。根據前文初步估算的防滲墻總高度應不小于44 m，同時考慮弱風化層底面(2 418 m)以下為不透水層，當防滲墻頂高程為2 502.5 m時，對總高度在25 (覆蓋層中深4.5 m)、35、40、45、50、55、60、65、70、75 m及無防滲墻情況共計11種工況下的圍堰滲流特征進行探討。此外，以懸掛式防滲墻深度50 m為例，探討了圍堰上游不同水位高程下圍堰滲流特征的變化情況。以期為工程實際提供參考。

3 結果和討論

通過上述方案，本文獲取了20 a一遇洪水和5 a一遇洪水兩種工況在11種防滲墻高度下的浸潤面位置、等勢線及流速矢量(水力坡降)，如圖4、5、6所示(以20 a一遇洪水防滲墻高50 m為例)。

圖4 浸潤面位置

圖5 等勢線

圖6 流速矢量

3.1 浸潤面位置分析

為了揭示兩種工況下不同防滲墻高度對浸潤面位置的影響規律，分別選取防滲墻后作用水頭和逸出段高程作為觀測指標，繪制浸潤面高程與防滲墻高度關系，如圖7、8所示。

圖7 浸潤面墻后作用水頭高程與防滲墻高度關

從圖7可以看出，兩種洪水工況下，當防滲墻高度未進入弱風化巖層之前(防滲墻高70.5 m)，該圍堰的墻后浸潤面高程隨著防滲墻總高度的增加而逐漸降低，且在防滲墻總高度接近70.5 m時墻后浸潤面高程降低幅值略有增大；當防滲墻高度進入弱風化巖層4.5 m后，墻后浸潤面高程顯著降低至2 482.3 m，近乎接近于堰基面高度。從圖8可以看出，兩種洪水工況下，逸出段浸潤面高程同樣也會隨著防滲墻高度的增加而逐漸降低，但同墻后作用水頭高程相比，當防滲墻高度超過30 m后，其變化特征呈現出階梯狀下降的特點。

綜合分析不同防滲墻高度下的浸潤面變化不難看出，防滲墻高度對浸潤面高程變化有著明顯控制作用，且對墻后浸潤面高程變化的靈敏性要大于對逸出段的變化，顯然這與抵達浸潤面逸出段的滲徑稍長有關。

3.2 水力坡降分析

為了揭示2種工況下不同防滲墻高度對圍堰水力坡降的影響規律，分別選取圍堰墻底水力坡降和堰腳水力坡降作為觀測參數，繪制浸潤面高程與防滲墻高度關系，如圖9、10所示。

從圖9可知，2種洪水工況下，防滲墻高度不超過30 m時，墻底水力梯度會緩慢升高，當防滲墻高度在30～50 m時，墻底水力梯度基本維持恒定，隨著防滲墻高度超過50 m后，墻底水力梯度則會逐漸增大，越接近覆蓋層底部，增長幅值越大。從圖10可知，兩種洪水工況下，堰腳處的水力坡降均隨著防滲墻高度的增加逐漸降低，且當防滲墻高度接近覆蓋層底部時，堰腳處水力坡降降低幅度顯著增大。

圖10 堰腳水力坡降與防滲墻高度關系

綜合分析不同防滲墻高度下的圍堰內部水力坡降變化不難看出，圍堰墻底和堰腳水力坡降的變化趨勢剛好相反。從變化幅度上看，在防滲墻高度接近覆蓋層底部時，兩處水力坡降均會產生較大幅度的變化，特別是當防滲墻高75 m穿過覆蓋層進入弱風化巖層后，墻底水力坡降大于12，堰腳水力坡降小于0.03。造成此現象的原因主要是隨著防滲墻高度的增加，過水斷面不斷減小，滲徑逐步延長，墻底流速、水力坡降增大，堰腳水力坡降減小。

3.3 滲流量分析

為了揭示2種工況下不同防滲墻高度對圍堰滲流量的影響規律，繪制圍堰單寬流量與防滲墻高度關系圖，如圖11所示。

圖11 圍堰單寬流量與防滲墻高度關系

從圖11可以看出，2種洪水工況下，圍堰單寬流量隨著防滲墻高度的增加逐漸降低，且當防滲墻高度不超過60 m時，單寬流量與防滲墻高度呈線性特征，當防滲墻高度接近覆蓋層底部時，單寬流量的降低幅度明顯增大。當防滲墻高75 m穿過覆蓋層進入弱風化巖層后，單寬流量可減小到1.27×10-4m3/s。可見隨著防滲墻高度的增加，對滲流量的控制作用越來越顯著。

3.4 不同水位下50 m防滲墻滲流特征分析

綜上所述，通過系統分析防滲墻高度與浸潤面高程、圍堰水力坡降、單寬流量的關系發現，當設置防滲墻高度為75 m時，浸潤面高程、堰腳水力坡降及單寬流量均能維持在較低值，2種工況下的圍堰各項滲流參數均得到了很好的控制。但是需要指出的是，當防滲墻高度達到75 m時，勢必對防滲墻施工難度、工期及經濟性提出更高要求。本工程為了在緊張的工期內完工，同時兼顧安全與成本，需要進一步考慮懸掛式防滲墻的合適高度以滿足各方需求。根據對前述圍堰滲流特征的總結可以看出，當防滲墻高度為50 m時，圍堰水力坡降、浸潤面高程及滲流量均能得到一定程度的控制，能夠一定程度兼顧施工工期與經濟性，且通過對已有工程的類比分析具有一定可行性。因而進一步開展了不同水位下50 m高防滲墻的滲流特征分析。本文選取了20 a一遇洪水2 482 m～2 533.8之間的6個上游水位高度，獲得不同上游水位的圍堰浸潤面、水力坡降及單寬流量變化曲線如圖12所示。

圖12 不同滲流特征參數與上游水位高度關系

從圖12可以看出，隨著上游水位地不斷升高，圍堰的浸潤面高程、水力坡降及單寬流量都隨著增大，其中墻后浸潤面高程、墻底水力坡降和單寬流量都隨著上游水位的升高呈線性增長規律；逸出段高程隨著上游水位的升高呈階梯狀增長；堰腳水力坡降隨著上游水位的升高呈對數型增長。

通過上述規律可以總結出，當圍堰上游水位低于2 500 m時，圍堰下游坡面并不會形成逸出段；而當圍堰上游水位高于2 500 m后，則應注意觀察坡面逸出段的滲透穩定性，以防管涌等局部破壞產生，必要時應及時抽水降低堰腳浸潤線高程。

4 結論與建議

本文通過對深厚覆蓋層土石圍堰的二維有限元數值模擬，系統分析了20 a一遇洪水和5 a一遇洪水工況下不同懸掛式防滲墻高度對圍堰滲流特征的影響規律，此外，為了保障施工工期、經濟性及安全滿足要求，進一步探討了防滲墻高50 m時圍堰上游不同水位高程對滲流的影響。得到如下結論：

(1)在2種洪水工況下，首先，隨著防滲墻設計高度的增加，浸潤面高程隨之降低，同墻后作用水頭高程相比，當防滲墻高度超過30 m后，其變化特征呈階梯狀下降的特點；其次，隨著防滲墻設計高度的增加，圍堰墻底和堰腳處的水力坡降變化趨勢剛好相反，墻底處水力坡降在防滲墻高度超過50 m后顯著增加；最后，隨著防滲墻設計高度的增加，當防滲墻高度不超過60 m時，單寬流量與防滲墻高度呈線性特征，當防滲墻高度進一步增加后，單寬流量的降低幅度逐漸增大。特別是當懸掛式防滲墻設計高度由滲透性較強的覆蓋層進入到滲透性中等～較弱的弱風化巖層后，對圍堰滲流特征具的控制作用更為顯著。

(2)當需要考慮懸掛式防滲墻施工工期、安全及經濟性要素時，防滲墻高度設置為50 m具有一定可行性。在該方案下，隨著上游水位地升高，圍堰的浸潤面高程、水力坡降及單寬流量都隨之升高。相關曲線可為不同水位時期的滲流控制提供參考。此外，通過與公式(3)獲得的最小防滲墻高度的估值44 m對比可見，該估值對于透水性較強的砂卵礫石深厚覆蓋層偏危險。

(3)通過前述分析表明，當選取防滲墻設計高度為50 m時，應考慮上游水位不斷升高情況下的滲流控制，合理設置反濾防護層，必要時可在堰前進行水平鋪蓋延長滲徑[16]，當圍堰上游水位高于2 500 m后應注意觀察坡面逸出段的滲透穩定性，以防管涌等局部破壞產生，必要時應及時抽水降低堰腳浸潤線高程，以保障圍堰滲透穩定。