雅口航運水利樞紐工程二期粉細砂圍堰滲流分析

程 燕，蔡文婧 ，薛 松 ，童富果

(1.中國葛洲壩集團市政工程有限公司，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學，湖北 宜昌 443002；3.湖北省水電工程施工與管理重點實驗室，湖北 宜昌 443002)

0 引言

漢江雅口航運水利樞紐工程(以下簡稱“雅口工程”)地處江漢中游的沖積平原地帶，圍堰填筑所需土石料相對匱乏。考慮到工程經濟性及環保要求，工程二期圍堰采用了當地河床覆蓋的粉細砂作為主要填筑料，而粉細砂堰體和堰基透水性強，抗滲透破壞能力差[1]，對滲流控制提出更高的要求[2]。圍堰選用復合土工膜搭接混凝土防滲墻作為防滲體系，復合土工膜是一種新型的防滲材料，其具有防滲性能好，造價低，便于快速施工等優勢[3-4]，在圍堰工程中得到廣泛應用[5]。但是，土工膜在鋪設和運行的過程中，易受到人與機械碾壓及下墊層頂壓作用發生局部變形產生滲漏，導致防滲效果達不到設計要求[6-7]。復合土工膜作為一種防滲材料，其滲透系數是工程應用最關注的指標之一，也是滲流分析中的關鍵參數。

完好的土工膜通常可視為不透水材料，滲透系數取值一般在10-13～10-11cm/s 之間[8]。而已建工程的滲流監測結果及研究統計發現，防滲體系中，土工膜的實際滲透系數大多在10-8～10-6cm/s 之間[9]，表明土工膜在實際的運行過程中不可避免的存在損傷滲漏。部分學者開展了土工膜的缺陷滲漏試驗[10-11]，指出缺陷滲漏流量和滲透系數受多種因素的影響，包括土工膜損傷類型、壓力水頭及土工膜的種類等[12]。總體而言，目前對于土工膜的缺陷滲透特性仍缺乏統一的認識和較權威的理論支撐，仍需針對具體工程問題開展相關分析。

為評估土工膜損傷對粉細砂圍堰滲流穩定性的影響，本文開展土工膜缺陷滲漏試驗，確定土工膜損傷滲透特性，結合滲流模擬分析雅口二期圍堰最不利滲流工況下的穩定性，為指導圍堰安全度汛提供支撐。

1 土工膜滲透特性測試試驗

1.1 試驗設計

設計土工膜滲透特性試驗裝置，包括壓力控制模塊，土工膜滲漏模擬模塊和滲漏量采集模塊3 個部分，如圖1 所示。土工膜滲漏模擬模塊主要由上、下2 個內徑為8 cm 的空心圓桶以及中間夾持的土工膜組成。下桶裝有粉細砂夾砂卵石墊層以支撐土工膜，為大氣壓力環境；上桶可容納有壓水以模擬土工膜工作水壓，為有壓環境；土工膜與上下桶之間通過墊圈密封防止漏水。壓力控制模塊由空壓機、儲水壓力罐和壓力控制表組成，通過連接上部圓桶頂部，為試驗提供穩定供水水壓；滲漏采集裝置由電子天平和計算機自動采集系統組成，通過連接下部圓桶底部，實時采集穿透土工膜的滲流水量。

圖1 土工膜滲透特性試驗裝置示意圖

本試驗選用雅口二期圍堰所使用的復合土工膜進行試驗，該復合土工膜規格為200 g/cm2/0.3 mm/200 g/cm2。下墊層為河床覆蓋料粉細砂夾砂卵石，本試驗通過模擬雅口二期圍堰土工膜施工、使用過程中的不利環境損傷土工膜，由于粉細砂和復合土工膜兩側的土工布對土工膜起保護作用，土工膜并未出現明顯的大孔洞破壞，復合土工膜下部選用圍堰使用的粉細砂墊層，底層采用透水性較好的透水石進行試驗。

為系統探究水壓力條件對土工膜滲透特性的影響，結合雅口二期圍堰運行環境，設置1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、8 m、10 m、12 m、14 m、16 m、18 m 和20 m 共13 個壓力水頭工況。每個工況下，通過壓力控制模塊向土工膜施加恒定水壓，待土工膜上部水壓力穩定后通過滲漏量采集模塊獲取土工膜滲漏水量。

1.2 試驗結果與分析

繪制一定壓力水頭下土工膜的滲漏水量、滲漏流量與時間的關系，如圖2 所示。從圖2可以看出，滲漏水量并不是隨時間呈線性增長，而是呈現增長速率減小的增大趨勢，最后呈線性增長；滲漏流量先減小，最后趨于穩定。這表明土工膜在產生磨損破壞的情況下，隨著時間的增加，土工膜與下墊層貼合得更加緊密，且粉細砂易堵塞微小的裂紋型滲流通道，故滲漏流量減小。

圖2 滲漏水量、滲漏流量隨時間變化過程

為計算不同壓力水頭下的滲透系數，取每個水頭下最大的滲漏水量為計算參數，見表1所列。

表1 不同壓力水頭下的最大缺陷滲漏流量

假定滲流過程符合達西定律，在不同水壓力件下，土工膜的滲透系數可以由式(1)計算得到。

式中：k為滲透系數，cm/s；Q為滲漏量，ml/s；T為土工膜的厚度，取值為0.03 cm；ΔH為土工膜兩側水頭差，m；r為土工膜試樣的半徑，取值為4 cm。

圖3 展示了滲漏流量、滲透系數隨壓力水頭的變化?？梢钥闯?，當壓力水頭小于5 m 時，滲漏流量隨著壓力水頭的增大基本呈線性增大，相應的滲透系數趨于穩定；而當壓力水頭高于5 m 時，隨著壓力水頭的增大，滲漏流量增長趨勢逐漸變緩，滲透系數減??；該變化趨勢與劉鳳茹[13]等、李昱瑩[14]等研究者得到的結果相似。該變化趨勢是由于膜前壓力的增大，土工膜與下墊層骨料貼合更緊，減緩了水流的滲透，使得滲透率降低。土工膜在磨損后，滲透系數在10-7cm/s 量級，與已建工程滲透系數的實測結果在同一范圍內。相較于完好情況下的土工膜，其防滲性能明顯降低。

圖3 滲流量、滲透系數隨壓力水頭的變化

2 圍堰滲流分析

雅口二期過水圍堰汛期從堰頂過流，滲流計算不考慮壩體和壩基的滲透水量，滲流計算的目的是：①確定浸潤線的位置，為堰體的穩定分析提供依據；②確定粉細砂堰體和堰基的滲透梯度，確保堰體和堰基的滲透穩定。

2.1 圍堰結構特征

雅口二期圍堰上游中間斷面最大堰高達14.7 m，承受的滲透水頭最大，滲流穩定最不利。圍堰由頂部子堰和過水圍堰兩部分組成，過水圍堰由砂卵石夾粉細砂戧堤進占，在圍堰兩側形成砂卵石棱體，圍堰內側采用當地材料粉細砂為主要填筑料。子堰迎水面采用復合土工膜防滲，40 cm 厚砂袋護坡，基坑測采用土工布對粉細砂起到防護作用。在過水圍堰迎水面側采用塊石壓坡護底，并布置土工布對粉細砂堰體和堰基起到防滲反濾的作用；背水面側采用2.5 m 寬管袋充填粉細砂護坡，并在其下層布置土工布和丙綸布反濾。子堰復合土工膜與過水圍堰上游面內側60 cm 塑性混凝土防滲墻共同組成一道封閉的防滲體系，塑性混凝土防滲墻伸入基巖1 m。圍堰斷面結構如圖4所示。

圖4 圍堰斷面結構

2.2 計算模型與參數

依據圍堰斷面結構建立圍堰有限元模型，該模型共劃分了8 種材料分區，包括粉細砂填筑料(覆蓋層)、砂礫石覆蓋層、砂巖層、拋石、管袋砂、C25 素混凝土、塑性混凝土防滲墻、土工膜，圍堰有限元網格劃分如圖5 所示。上游邊界取圍堰迎水面坡腳向上游延伸19 m，下游邊界取圍堰內側坡腳向下游延伸45 m，底部取基巖面以下15 m。上游和下游圍堰兩側均為已知水頭邊界，計算區域頂部及底部均為不透水邊界。圍堰上游、下游均為已知水頭邊界，模型底部為不透水邊界。堰前最高水位55.68 m，基坑高程41.2 m。

圖5 圍堰有限元網格劃分

利用土工膜作為防滲體時，其厚度不足1 mm，在滲流計算中難以準確模擬。故采用等效替代法，對土工膜滲流計算模型實現等效轉換。等效替代法是在滲漏量相同的前提下，將復合土工膜轉換成等效厚度的防滲體，再進行滲流計算。等效過程中基于流量守恒原則，沿用達西定律計算等效厚度和等效滲透系數，如式(2)所示。

式中：Q為土工膜的滲漏量，m3/s；k為土工膜的滲透系數，m/s；ΔH為土工膜上、下游水頭差，m；A為土工膜的滲透面積，m2；T為土工膜的厚度，m。

由圖3 可得，土工膜滲透系數在低水頭下最大，由其值約為7.0×10-7cm/s。在土工膜滲透性等效時，以此為依據，厚度為0.3 mm 的土工膜等效為厚度3 cm 的防滲體時，滲透系數應等效放大100 倍，取值為7.0×10-5cm/s。過水圍堰頂部的混凝土面板較薄且跨度大，產生裂縫的可能性較高，對其滲透系數進行相應折減，取值為8.0×10-4cm/s。其他材料分區的滲透系數依據工程報告取值見表2 所列。此外，為增強圍堰背水側的反濾和防沖能力，設置土工布和丙綸布結構，但考慮到兩者厚度較薄，模擬過程中僅將其作為安全儲備進行分析。

表2 圍堰填筑材料及河床覆蓋層滲透系數

2.3 滲流分析及度汛

1)滲流計算結果分析

水頭等值線分布如圖6 所示。由圖6 可以看出，浸潤線在防滲體系出現陡降，等勢線主要分布在土工膜和防滲墻位置，復合土工膜和防滲墻組成的防滲體系起到較好的防滲作用。堰芯填筑區域內水頭等值線稀疏，最大滲透梯度為0.015，小于粉細砂允許滲透坡降，滿足GB 50487—2008《水利水電工程地質勘察規范》[15]要求。逸出點位置接近基坑地面高程。逸出點以下的坡腳及堰基滲透梯度方向向上，滲透梯度的大小為0.1，小于發生管涌和流土破壞的允許滲透梯度值，滿足規范要求。該結果表明：采用土工膜搭接混凝土防滲墻的防滲體系能夠有效控制圍堰滲透梯度，防止粉細砂堰體滲透破壞。

圖6 水頭等值線分布圖

2)圍堰度汛

該新型圍堰結構建成后，于2021 年8 月31 日經歷了最大洪峰流量為13 000 m3/s 的洪水，上游堰前洪水位最高55.03 m，接近子堰頂高55.7 m，且圍堰未見明顯的滲透破壞現象。2021 年9 月1 日上午6 時，按防汛指揮部門統一部署，對二期圍堰上部子堰進行了破堰充水、基坑過流；上部子堰體隨過堰水流自潰，過流期間最大流量為12 900 m3/s。過流后，上下游圍堰主體結構完整，圍堰主體未發生明顯滲透失穩情況。

3 結論

本文以雅口工程二期圍堰為例，研究以當地粉細砂材料為主要填筑料，以土工膜為主要防滲體的新型圍堰及其滲透穩定性問題，取得如下結論：

1)開展不同壓力水頭作用下土工膜損傷后滲透特性試驗，發現土工膜損傷，土工膜的滲漏流量初始最大，而后逐漸減小并趨于穩定，滲透系數隨水壓力增大呈逐漸減小趨勢。

2)采用等效替代法對土工膜防滲效果進行模擬，表明土工膜和塑性混凝土防滲墻組成的防滲體系能夠起到較好的防滲作用，粉細砂堰體和堰基的滲透梯度值滿足規范要求。

3)雅口工程二期圍堰成功經受了2021 年漢江秋季特大洪水的考驗，圍堰并未發生明顯的滲透破壞，證明該圍堰以河砂為堰體填筑料結合土工膜防滲結構形式的可靠性。