水庫圍堰防滲墻設計下三維流場影響研究

張 瑋

（濟南市水政監察支隊，山東 濟南 250000）

防滲墻是水庫壩體、水電站、河道堤防等水工設施中常用的防滲結構[1-3]，其設計效果對水工建筑的運營穩定性具有重要意義。防滲墻自身結構參數、工程運營荷載等均會影響防滲效果，從而導致水工建筑出現滲漏等防滲失效現象[4，5]。鄧佳等[6]、劉菊蓮[7]為研究防滲墻結構與水工建筑的適配性，采用Fluent 模擬了防滲墻不同設計方案下運營工況，探討了防滲墻設計工藝對水工設施的流速、壓強等水力參數影響，評價了防滲墻設計合理性，對提升水工結構設計水平有參考價值。防滲墻作為一種水工結構，其靜、動力響應特征也是設計方案需考慮的問題，張富有等[8]、唐友山等[9]采用數值仿真計算方法，分析了防滲墻結構應力、位移以及動力響應特征影響變化，在考慮結構靜、動力場安全下遴選最優方案。水工建筑中流固耦合環境較為常見，防滲墻自身所處工程環境亦是如此，王正成等[10]、高江林等[11]通過引入流固耦合場控制理論，對閘門、閘站以及防滲墻等水工結構開展了流固耦合分析，揭示了流固耦合疊加作用下水工結構的應力、位移以及三維流場變化，貼合了工程運營實際，豐富了實際工程設計參考成果。為研究蒙陰水庫圍堰防滲墻設計，引入滲流-應力場耦合迭代求解方法，探討了防滲墻不同厚度下圍堰流態、流場影響變化，評價設計方案的合理性。

1 概況

1.1 工程情況

作為臨沂地區重要供水中樞，蒙陰水庫承擔著防洪、排澇、農業灌溉以及水利發電功能，建設運營年限超過20 a，攔截上游孟河形成Ⅱ級水庫，最大庫容量超過1 000 萬m3，有力支撐了地區輸供水效率。在臨沂境內，不僅存在蒙陰水庫，還存在杏子山水庫等中小型水庫，它們構建起完善的梯級水庫調節樞紐，保障了極端干旱天氣的防旱抗旱工作。根據水利部門統計，從2022年6月上旬至8月，席卷全國的高溫天氣使臨沂地區出現嚴重旱情，通過蒙陰水庫、上峪水庫等多個梯級水庫調節水位，僅7 月供應水資源量超過800 萬m3，極大緩解了孟河流域下游農業生產缺水問題。另一方面，雖蒙陰水庫在2022 年夏秋季防旱抗旱工作中發揮了重要作用，但從中發現了水庫部分運營問題，如運營泄流量低于設計值，部分堆筑壩滲透坡降較大，地表徑流較活躍，監測獲得最大滲透坡降可達0.24，且溢洪道泄槽段出現局部壅流、漩渦等現象，泄流效率較低，消能水平較差等。為此，水利部門計劃先期對蒙陰水庫開展病險調查，目前蒙陰水庫為心墻堆筑壩與部分混凝土重力壩組合形式，最大壩高為45 m，全壩軸長為782 m，壩體高度分布為22～45 m，出現滲流活躍區域壩段并未設置防滲墻結構，僅有防滲面板等防滲體系。泄洪閘位于心墻壩右側，采用主、次錨索與鋼絞線作為閘墩支撐加固結構，如圖1（a）所示，閘底板厚度為0.4 m，底板防滲性能也較差，泥沙淤積等較嚴重，這也是影響水庫泄流運營較低的重要原因。從初步現場調查和資料分析，考慮在泄洪閘下游新建擋墻結構，減弱下游非穩定水流產生，其設計立面如圖1（b）所示，且可抑制背水側壩坡突涌、流土等。溢洪道加固設計如圖2所示，堰型為WES曲面結構，進水口有控制段、反弧段等，溢流段坡度為1∶0.75，消力池軸長為9.5 m，反弧段為53.13°，相關的摻氣坎、底坎等消流構件在室內模型中運營效果較佳，設計采用圍堰導流施工方法，解決溢洪道和壩體防滲結構施工問題。水利部門綜合分析蒙陰水庫壩體以及溢洪道除險設計，認為圍堰導流應用優勢較大，但堰體以及壩體的防滲乃是重中之重，必須提高壩體防滲能力和降低圍堰滲漏量等。為此，設計部門針對蒙陰水庫圍堰設計，開展防滲結構體系設計研究。

圖1 部分工程設計

圖2 溢洪道設計

1.2 建模設計

防滲墻乃是圍堰防滲結構體系中重要組成，其參數設計與圍堰流態、流場特征密切相關，探討其結構設計，有利于在防滲安全與設計經濟合理性之間尋到平衡。根據蒙陰水庫壩體設計，圍堰軸長為650 m，包括有不同程度風化的基巖、堆筑區、土工防滲膜、防滲墻以及其他土性堆筑區，按照分區分模塊建模要求，建立了圍堰計算模型，如圖3所示。該模型中共有11個分區，與實際工程堰體剖面設計一致，如Ⅵ區為防滲墻體，Ⅸ～Ⅺ均為灰巖基巖層，按照基巖風化程度分為強風化層、弱風化層、微風化層，厚度分別為10、20、40 m，模型深度影響范圍設定至微風化基巖面。按照建模要求，本模型為液固二相體組成，頂、底面分別為法向單向自由度以及無自由度設計，全模型通過沉降位移控制邊界。計算中基巖、堆筑料等巖土體物理力學參數均以室內力學試驗取值，如堆筑料中粉砂黏聚力為25 kPa、粉質壤土粒徑為0.8～3.2 mm。

圖3 圍堰計算模型

圍堰防滲結構體系中土工防滲膜作為已有防滲結構，位于圖3模型的Ⅰ區，模型中其滲透系數取值為1×10-9m∕s，厚度為2 mm。其控制滲流量按照下式確定[4，12]：

式中：qg、kg分別指單寬滲流量（m2∕s）、滲透系數（m∕s）；i指滲透坡降；ΔHg、Tg分別指水頭差（m）、墻體厚度（m）。

單獨提取獲得土工防滲膜模型與防滲墻模型，如圖4所示，兩者作為圍堰體防滲組成，計算網格劃分時網格分布密度均高于其他區域。根據統計，防滲膜模型共有網格單元13 628 個、節點數9 827 個，防滲墻獨立模型共有網格單元28 637 個、節點數22 634 個。計算圍堰上、下游水位按照蒙陰水庫運營期確定，分別為32.5、5.5 m。

圖4 防滲結構模型

由于研究工況中存在滲流場-應力場（流固場）耦合情況，本文引入滲流-應力兩場耦合平衡方程，見下式[10，13]：

式中：[K]指剛度矩陣；{δ} 指位移矩陣；{F} 指荷載矩陣；{Fs} 指滲流場作用力矩陣。

基于上述幾何物理方程聯解，獲得耦合場流體運動控制方程變化，見下式：

式中：[K]指剛度矩陣；{Δδ} 指位移增量矩陣；{ΔF} 、{ΔFs} 分別指荷載增量矩陣、滲流場作用力增量矩陣；[k]指滲透系數矩陣；{h} 指水頭差矩陣；[S]指流量矩陣；{f}指常數矩陣；[D]指流體運動模量矩陣；[B]指流體運動尺寸矩陣；σ指應力（Pa）；ε指應變，無量綱；t指運動時間（s）。

以耦合場控制方程式（3）—（5）為基礎，在仿真計算平臺上完成多次迭代求解，從而獲得相應的滲流解。在考慮防滲墻設計參數的前提下，圍堰三維流態、流場均會與參數變化息息相關，而防滲墻設計參數涵蓋了入巖深度、厚度、灌漿料類型等，在防滲墻入巖深度至弱風化基巖面的前提下，對其厚度設計參數開展對比研究，灌漿料均為C30水工混凝土。研究方案設定防滲墻厚度為0（無防滲墻）、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 m 共7 個方案，研究防滲墻不同厚度對圍堰三維滲流場影響，評價設計方案的合理適用性。

2 防滲墻設計對圍堰流態特征的影響

為研究防滲墻設計對圍堰三維滲流影響，基于滲流-應力耦合場計算，獲得圍堰體水頭線流態特征，如圖5 所示。從圖5 可以看出，在無防滲墻設計下，堰體內水頭等值線聚集區位于壩腳溢出點，表明堰體迎、背水側之間形成了一道較高水頭差，集中有較大水力勢能，有助于堰體內滲透通道貫通，導致堰體內徑流活動加劇。當增設防滲墻后，相應的水頭等值線密集區遷移至防滲墻底部，下游背水側堰坡內無較多水頭分布，即防滲墻成為迎、背水側之間的“擋水板”，限制了迎、背水側之間的滲流活動，在堰體內呈現較好防滲效果。由此可知，增設防滲墻對堰坡滲透特性具有較好抑制效果[6，14]。

圖5 流態特征

無防滲墻、防滲墻厚度0.4 m下堰體孔隙水壓力分布特征，如圖6 所示。依據圖6 中流態特征可知，無防滲墻時，孔隙水壓力等值線在堰體迎、背水側分布均勻，從壩頂至壩底逐步遞增，最大孔隙水壓力可達1 000 kPa，堰坡內孔隙水壓力分布反映了滲流活動較穩定、均勻。增設防滲墻后，堰體內迎、背水側孔隙水壓力分布具有突變特征，如迎水側800 kPa等值線在下游突變成200 kPa，孔隙水壓力突變點位于防滲墻底部，即迎水側較高孔隙水壓力經防滲墻后均發生突變，在背水側分布有較小孔隙水壓力。分析認為，防滲墻滲透系數較之堰坡內堆筑料低了4～5 個量級，滲流活動經防滲墻后會形成止水帷幕，降低其滲透活動，因而表現出孔隙水壓力分布突變特征。

圖6 孔隙水壓力特征

3 防滲墻設計對圍堰流場特征的影響

從防滲墻與圍堰耦合場流態特征可知，增設防滲墻結構，有助于提高堰坡內防滲能力，降低滲流活動。因而，防滲墻厚度設計較為關鍵，根據圍堰導流量設計有150、200、250 m3∕s 3個研究工況，探討防滲墻厚度參數設計方案。

3.1 單寬滲流量

依據圍堰3 個導流工況，計算獲得堰坡單寬滲流量影響變化特征，如圖7 所示。分析圖7 中單寬滲流量可知，導流量愈大，單寬滲流量愈高，在無防滲墻方案中，導流量150 m3∕s 工況下單寬滲流量為6.7 m2∕s，而導流量200、250 m3∕s 工況下單寬滲流量較前者分別提高了33.2%、58.4%。當增設防滲墻后，如防滲墻厚度為0.4 m，后者兩導流量工況單寬滲流量分別為6.1、7.5 m2∕s，較之前者導流量150 m3∕s工況下分別提高了27.5%、53.2%。對比可知，增設防滲墻后，不同導流量工況下單寬滲流量差異縮小。

圖7 單寬滲流量與防滲墻厚度變化關系

對比同一導流量下單寬滲流量變化可知，隨防滲墻厚度遞增，單寬滲流量呈先減后增變化，最低為墻厚度0.8 m 方案。導流量150～250 m3∕s 下單寬滲流量分別為2.36、2.83、3.4 m2∕s。當墻厚度低于0.8 m時，導流量150 m3∕s 工況、墻厚度0.4 和0.6 m 下單寬滲流量分別為4.88、3.5 m2∕s，墻厚度0.8 m 單寬滲流量較之前兩者分別下降了51.7%、32.4%，隨墻厚度梯次0.2 m 變化，單寬滲流量平均下降了30.4%；但墻厚度為1.0、1.2、1.4 m 時，相應的單寬滲流量分別為2.87、4.2、5.5 m2∕s，較之墻厚度0.8 m 單寬滲流量分別增大了21.6%、78%、133.6%，在墻厚度超過0.8 m后，隨墻厚度0.2 m 的變化，單寬滲流量平均可提高33.1%。當導流量增大至200、250 m3∕s 后，單寬滲流量隨防滲墻厚度變化仍是如此。筆者認為，增大防滲墻厚度，有助于增大止水帷幕寬度，對堰坡內滲流活動限制作用更強；但不可忽視的是，墻厚度持續增大，其自身占據風化基巖層的空間更大，對基巖風化層、擾動層影響更大，在滲流-應力場耦合作用下易造成堰坡突涌、壅流等非穩定滲流活動[1，15]，因而呈現單寬滲流量在墻厚度0.8 m后陡增的現象。

3.2 滲透坡降

基于耦合場三維滲流計算，獲得防滲墻底部滲透坡降影響變化，如圖8所示。由圖8中滲透坡降影響特征可知，導流量愈大，滲透坡降愈大，導流量250 m3∕s 工況下7 個方案中滲透坡降分布為18.93～63.2，而導流量150、200 m3∕s工況下滲透坡降較前者分別下降了29.6%～38%、11.5%～18.8%。防滲墻厚度與滲透坡降具有負相關特征，且降幅在墻厚0.8 m 后減??；導流量150 m3∕s 工況、墻厚度0.4 m 下滲透坡降為25.7，而墻厚度0.6、0.8 m 較前者分別下降了24.9%、46.2%，隨墻厚度0.4～0.8 m 變化，滲透坡降平均降幅為26.6%，而在墻厚度1.0、1.2、1.4 m下滲透坡降總共降低了6.8%，平均降幅為3.6%，在墻厚度1.4 m 下滲透坡降為12.4。當導流量增大至250 m3∕s 后，滲透坡降隨墻厚度變化實質上仍是如此，在墻厚度0.8 m 后具有降幅減緩特征。由此可知，墻厚度參數并不是一定要最大，而是要合理即可，在模型計算結果中，墻厚度0.6 m 后滲透坡降實質上低于安全允許值30，當墻厚度為0.8 m 時三維流場特征處于最優狀態，故選擇該方案為最適方案。

圖8 滲透坡降與防滲墻厚度變化關系

4 結論

（1）無防滲墻下堰坡下游聚集較多水頭線，徑流活動較強，孔隙水壓力在迎、背水側均勻穩定；增設防滲墻后，堰坡內水頭線集中區遷移至墻底部，孔隙水壓力也在墻底部發生突變，防滲墻存在能有效限制堰坡內滲流活動。

（2）圍堰導流量愈大，堰坡單寬滲流量愈高，增設防滲墻能減小不同導流量工況下滲流量差異；防滲墻厚度遞增，滲流量呈先減后增變化，最低為厚度0.8 m 方案，導流量150、200、250 m3∕s 工況下滲流量分別為2.36、2.83、3.4 m2∕s。

（3）導流量愈大，防滲墻底部滲透坡降愈高，導流量150、200 m3∕s 工況下滲透坡降較250 m3∕s 下分別下降了29.6%～38%、11.5%～18.8%；墻厚度增大，滲透坡降減小，且在墻厚度0.8 m后降幅減緩，導流量150 m3∕s 工況下墻厚度0.4～0.8 與1.0～1.4 m 的滲透坡降隨墻厚度0.2 m增大變化分別平均下降了26.6%、3.6%。

（4）從耦合場流態、流場特征考慮，防滲墻厚度0.8 m為最適方案。