漿砌石重力壩滲透規律及其防滲帷幕數值模擬研究

韓蕊勤

(東莞市水務工程建設運營中心,廣東 東莞 523073)

0 引 言

漿砌石重力壩是我國水庫中的常見壩體,主要由石料和混凝±漿體砌成。 壩體的迎水側一般設有混凝±防滲層,防滲帷幕則設置于岸坡,兩者與壩基的排水系統一起,可以起到減小壩基揚壓力的作用[1]。 受各種各樣因素的影響,漿砌石壩體因滲漏而發生形變的事故時有發生,且其復雜的壩體結構和地基環境增加了滲漏原因診斷的難度[2-4]。 目前,對混凝±重力壩的滲漏研究已取得豐富成果,其中主要針對滲漏的普遍規律和對具體工程的防滲方案進行研究,也有部分研究通過建立統計模型分析滲漏的影響因子。

本文以流溪河大壩為例,對漿砌石重力壩的滲透規律進行分析,并對其防滲帷幕進行數值模擬研究,為重力壩的安全監測工作提供新方案。

1 漿砌石重力壩滲透規律探究及防滲帷幕數值模擬

1.1 水庫壩基的滲流量計算與監測

壩基揚壓力是重力壩設計的重要荷載,對壩體形體和結構的穩定有較大影響,在重力壩的滲透破壞失事原因中所占比例較大。 在其他條件不變的情況下,通常認為其主要受庫水位、溫度、降雨量和時效等多種因素的影響[5]。 本次研究將依據長時間的監測,建立揚壓力的統計分析模型并進行回歸分析,得到各因素的影響系數,分析它們對揚壓力的影響力大小。

涉及兩個以上(含本數)的自變量回歸分析是多元回歸[6]。 本次研究納入了影響壩基揚壓力因素的其中4 個,因此采用多元線性回歸分析方法。對于水位因素,因為下游水位變化較小,故不予考慮。 所以,本次研究只對水庫上游的水位進行監測,分析監測點當日與前一個月內的水位變動;溫度分量的因子則使用周期函數;降雨會直接導致水位升高,增加揚壓力,但這個變化過程具有滯后性,因此監測日前一個月內的降雨量都要納入統計范圍之內。 最后,得到的統計模型表達式為：

式中：Ph、Pt、Pr、Pθ分別為水位、溫度、降雨和時效分量;hum為隨監測時間變化的平均水深;x0為常數項;t為累計天數;y為溫度因子的回歸系數;cm為降雨量系數;pm為平均降雨量;T為模型初次觀測日到監測日的累計天數除以100 的天數;d為時效系數。

該模型選取庫水位變幅及水頭較大的4 個揚壓力孔數據作為輸入,采用SPSS 進行分析。但揚壓力僅表示一個點的壓力,只有與滲漏量綜合考量,才能綜合評價滲流場的性態。 所以,依據量水堰對壩基的滲漏量進行監測,以每月3 次的頻率進行人工觀測并記錄觀測結果,使用滲漏儀采集每日的滲流量數據,然后進行滲流場的模擬計算,得出壩體的滲流量大小,即壩體因滲漏導致的水量損失。 同時,監測壩體因滲漏產生的變形損壞分布,當監測到坡降值較大、可能超出壩體的允許水力梯度閾值的局部滲透時,可以對堤壩出現病險風險、基部深坑等事故進行預測。計算的主要方法為有限差分法和有限單元法,其中有限單元法憑借數字技術的發展,在工程滲流計算領域顯示出更大優勢,因此本次研究采用有限單元法進行滲流數值計算。

不考慮滲透系數的時間性變化,對飽和穩定壩基基質的滲流進行求解。 首先計算泛函Ц(h) ,計算公式如下：

式中：h為總水頭;?為滲流的實際閾值;kij為以張量形式表示的系數矩陣中第i行第j列的滲透系數;d為流量增量;s為邊界面。

然后進行等效結點虛流量法的有限元-迭代格式求解,以計算滲流場的水頭分布和滲流量,公式如下：

式中：[I] 為計算域中的總傳導矩陣; {h} 為未知的結點水頭; {Q} 為總等效結點的流量矩陣;為已知的結點水頭對未知水頭在虛域中的等效流量矩陣;{ΔQ} 為作用于滲流虛區虛單元的結點虛流量矩陣。

1.2 防滲帷幕數值模擬

壩基的防滲帷幕是揚壓力和滲漏量變動的重要因素,當其產生缺陷時,會對滲漏量的增大有直接作用。 本次研究采用滲流有限元數值法,對其深度及滲透系數的敏感性進行分析,研究在深度和滲透系數變動的條件下帷幕對揚壓力與滲漏造成的影響。

首先依據溪流河水庫工程的勘察報告,選取計算參數。 該工程位于我國廣東省廣州市從化區良口鎮,主壩為混凝±材質,壩頂高程240m,壩頂寬2m,壩頂長255.5m,最大壩高78m;副壩為均質±壩,壩頂高程241.7m,壩長220m,壩頂寬4m,壩基寬210m;設計水頭98m。 按百年一遇洪水設計,千年一遇洪水校核,正常蓄水位235m,庫容3.25×108m3;設計水位236. 5m,庫容3. 47×108m3;校核最高水位238.3m,庫容3.76×108m3;死水位213m,歷史記錄的最高水位236.81m。

選取的帷幕寬度為4.5m,壩體、防滲墻、砼墊層、壩基、壩坡基巖和防滲灌漿帷幕的滲透系數分別為1.21×10-4、5.1×10-7、1. 13×10-6、1. 99×10-5、1.0×10-7和1.53×10-7cm/s,見表1。

表1 滲透系數參數選取

然后給定邊界條件,設定重力壩上下游的垂直剖面和基礎底面均為不透水面;上游水位和下游河床水位線以下的表面為已知水頭邊界;下游水位線以上的壩體表面為可能滲流逸出面。 正常蓄水時,下游無水,上游水位約為201.01m。 根據規范,對工況進行計算。 防滲帷幕深度的取值范圍一般為水頭的0.5～0.7 倍,工程的工況正常時,上游水頭約為65.3m,帷幕深度取值范圍0～50m,每隔10m 為一個工況,分析帷幕的不同深度對壩基揚壓力和滲漏造成的影響。

計算采用的模型根據溪流河水庫附近的地質特征,并考量滲流場的研究要求進行構建,帷幕深度有限元模型見圖1。

圖1 帷幕深度有限元模型

該模型橫截面大小為300m×180m,其網格共有6 040 個單元、6 240 個節點,對壩區的微風化花崗巖層和壩體的防滲帷幕、壩基排水管、廊道、砼墊層、防滲墻和漿砌石體進行模擬,包括的壩岸范圍大致為壩高的兩倍。 至防滲帷幕底部的深度約為136m,以此作為基礎深度,將對計算域滲流場的可能影響范圍涵蓋在內,采用Geo-Studio有限元軟件的SEEP 模塊,針對防滲帷幕深度與滲透系數對壩基防滲的相關性進行二維有限元數值模擬。

2 漿砌石重力壩滲透規律及其防滲帷幕數值模擬結果分析

2.1 水庫壩基的滲流量計算與監測結果分析

庫水位、溫度、降雨量和時效等各分量的回歸分析結果見圖2。 由圖2 可知,庫水位和溫度與預期的累計概率較為接近,離散程度較小,擬合的程度較高,與揚壓水頭的相關性比其他兩個因子更大。 而降雨量和時效的預期概率與實際概率的結果偏差較大,離散程度也更大,與揚壓力變化的相關性較低。

圖2 各分量回歸分析結果

通過對回歸系數及上游庫水位、溫度、降雨、時效等各分量進行分離,分析各影響因子對揚壓力的影響。 模型的回歸分析結果見表2。 回歸方程復相關系數基本大于0.8,其顯著性水平較高,回歸方程的剩余標準差為0.103～0.727,表明本次研究建立的揚壓力統計模型具有較高的統計精度。

表2 各揚壓力孔的庫水位、溫度、降雨、時效分量所占比例

由表2 可知,庫水位占比最高,實效占比最低。 監測日前上游平均水位的回歸系數最大,實效系數最小,相比上游庫水位,揚壓水位的變動有滯后期。 上游庫水位分量影響占比平均約為62.43%,可見庫水位因素對揚壓力的影響力為四者之最;溫度分量影響占比平均約為16.24%,對揚壓力的影響力僅次于庫水位;降雨分量所占比例約為11.1%,對揚壓力的影響力相對較小;時效分量的影響力最小,僅占11.64%。 研究表明,壩基各孔所受揚壓力的起伏與帷幕防滲效應的變動、揚壓力孔周圍的排水量大小、巖層性質、壩體的裂隙等因素造成的時效變化具有一定相關性。

滲漏量和庫水位的監測結果見圖3。

圖3 庫水位和滲漏量監測結果

由圖3 可知,監測點的滲漏量和庫水位均以年為周期,呈現明顯的周期性變化規律,且隨庫水位的升降,滲漏也會發生增減。 可以看出,每年的夏秋季節水位較高,此時滲漏量也相對較大;每年冬春季時水位較低,此時滲漏量也相應減小,表明水位變化是影響滲漏量大小的主要原因。 滲流量與庫水位的曲線波動均較大,滲漏量隨著水位的升高而增加,水位越高,滲漏的水量越多。 經計算可得,壩體的每日滲漏量與其水位的相關性系數約為0.921,壩基每日的滲漏量與其水位的相關系數約為0.965,表明壩體和壩基的滲漏與庫水位的漲落有較大關系。 還可以看出,當高程在150～200m 范圍時,曲線會出現拐點。 當庫水位高程低于這個范圍時,大壩的滲漏量較少,幾近于無;當庫水位高程高于這個區間時,滲漏量發生明顯的增加,表明該高程區間內可能存在滲水裂隙。

2.2 防滲帷幕數值模擬與防滲處理結果分析

防滲帷幕取不同深度時,經計算得到水平距離上的揚壓力分布情況見圖4。 隨著防滲帷幕深度的加深,壩基的揚壓力不斷減小;當帷幕深度設定為20m 之后,其深度的加深對揚壓力的影響程度不斷衰弱,揚壓力降低的幅度越來越不明顯。 研究表明,防滲帷幕深度設計為20m 較為合適,可以有效降低揚壓力。

圖4 不同帷幕深度揚壓力示意圖

帷幕深度取不同值時,滲漏量的計算對比見圖5。 由圖5 可知,隨著帷幕深度加深,大壩每日的滲漏量隨之減小;當設置深20m 的帷幕之后,帷幕深度的加深對滲漏的減緩作用不再明顯,表明帷幕深度取20m 基本能達到減少滲漏的作用。在計算過程中,Geo-Studio 對滲透系數的選取綜合考慮了地勘建議值,并結合水庫的設計數值,以及工程鉆孔的實際位置與模擬計算選取的斷面位置具有一定的差別,多種因素導致計算選取的參數與實際數值之間產生一定的誤差,使軟件計算的帷幕滲透系數比實際數值稍大,因此計算的逸出點高程及滲漏量呈現出比實測值稍大的結果。

圖5 不同帷幕深度的滲漏量及壩體浸潤線測量結果

不同帷幕滲透系數下,滲漏量和揚壓力折減系數的變化過程見圖6。 隨著滲透系數增加,滲漏量和揚壓力的折減系數均會增加。 當帷幕滲透系數小于4.0×10-7cm/s 時,滲漏量急劇減少,表明帷幕的防滲作用較好。 此時,也在帷幕后揚壓力折減系數增加的臨界點附近,大于該值的帷幕對揚壓力的減緩作用越來越小,不利于壩體結構保持穩定。

圖6 不同帷幕深度的滲漏量及揚壓力折減系數模擬結果

3 結 論

本文通過建立統計模型,對揚壓力變化和滲漏量進行計算和監測,并對滲流場進行了模擬計算,分析了大壩的滲漏規律。 監測和計算結果顯示,滲漏量的主要影響因素是庫水位,滲漏與庫水位的變化有強相關性,影響占比平均約為62.43%,對揚壓力的影響力最大;其次是溫度,影響占比平均約為16.24%。 壩基滲漏的原因可能是兩岸壩肩高程150～200m 處存在裂隙。 對防滲帷幕數值模擬結果顯示,其防滲效果在深度取20m、滲透系數小于4.0×10-7cm/s 時最好。