新疆某碾壓式瀝青混凝土心墻壩滲控設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)

秦文保

(新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

近年來，國(guó)內(nèi)外成功的修建了一批百米級(jí)瀝青混凝土心墻壩，雖然取得一定成功和寶貴經(jīng)驗(yàn)[1]，然而有一些工程在蓄水期或運(yùn)行期時(shí)出現(xiàn)了庫(kù)內(nèi)水繞壩滲流、瀝青心墻底部漏水量較大等一系列問題[2-3]，有些滲漏在水庫(kù)蓄水初期時(shí)不明顯，但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)壩體或壩基中的細(xì)小顆粒被水流帶走，滲流通道逐漸變大，最終發(fā)展成流土或管涌對(duì)整個(gè)壩體造成不可逆的損壞，嚴(yán)重時(shí)甚至影響到了壩體的整體穩(wěn)定性[4-6]。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合地形、地質(zhì)、水文、工程規(guī)模等邊界條件合理的對(duì)防滲系統(tǒng)進(jìn)行必要的滲控設(shè)計(jì)，以往在評(píng)價(jià)滲控設(shè)計(jì)時(shí)常采用二維滲流計(jì)算進(jìn)行評(píng)價(jià)，該方法對(duì)評(píng)價(jià)河床段滲控設(shè)計(jì)尚可接受，但對(duì)兩岸滲控設(shè)計(jì)就無法滿足繞壩滲漏量及浸潤(rùn)面、等勢(shì)面分布等重要水力要素對(duì)滲控設(shè)計(jì)的影響程度。尤其是面對(duì)一些特殊地質(zhì)地形條件，對(duì)大壩進(jìn)行整體滲漏設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)至關(guān)重要[7-8]。本工程最大的特點(diǎn)是河谷呈“U”型，河谷谷底寬350m左右，河床堆積物為第四系全新統(tǒng)沖積砂卵礫石，最大厚度43m。覆蓋層下伏基巖為礫巖呈巨厚層狀，分選性較差，庫(kù)壩區(qū)地層較為單一，均為第四系地層，礫巖主要為泥鈣質(zhì)中等膠結(jié)，遇水軟化，抗沖蝕能力較差。因此，合理的滲控設(shè)計(jì)對(duì)本工程的安全運(yùn)行至關(guān)重要，本文結(jié)合經(jīng)驗(yàn)與規(guī)范提出適合的滲控設(shè)計(jì)方案，并采用三維有限元法對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)[9-16]。

1 滲控設(shè)計(jì)

1.1 壩體滲控設(shè)計(jì)

新疆某水庫(kù)工程由攔河壩(碾壓式瀝青混凝土心墻壩)、導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞、溢洪洞、發(fā)電引水系統(tǒng)及電站廠房等組成。大壩防浪墻墻頂高出壩頂1.2m，瀝青混凝土心墻與防浪墻緊密結(jié)合，上游壩坡坡1∶2.25，上游圍堰與壩體結(jié)合，上游護(hù)坡為混凝土現(xiàn)澆護(hù)坡板，板厚0.25m，護(hù)坡至死水位2465.00m以下2.5m。下游坡度為1∶1.8，最大斷面綜合坡度為1∶2.05。壩體填筑分區(qū)從上游至下游分別為壩殼砂礫料區(qū)、過渡料區(qū)、瀝青混凝土心墻、利用料區(qū)，壩體標(biāo)準(zhǔn)橫、縱剖面如圖1—2所示。壩體填筑主要以砂礫石料為主，過渡層位于瀝青混凝土心墻兩側(cè)，頂部位于防浪墻底部，最大粒徑80mm，水平寬度為3m，利用料區(qū)位于防滲體下游，采用樞紐建筑物開挖砂礫料及洞渣料，以上填筑相對(duì)密度不低于0.85。

圖1 壩體標(biāo)準(zhǔn)橫剖面圖

圖2 壩體心墻軸線縱剖面圖

工程大壩心墻布置型式確定采用直心墻，墻體軸線偏向上游距壩軸線2m。考慮到工程地處高震區(qū)，同時(shí)，大壩基礎(chǔ)為砂礫石覆蓋層，在滿足規(guī)范要求時(shí)，并結(jié)合同類型工程，心墻頂寬0.5m，底寬取0.9m，采用變臺(tái)階式設(shè)計(jì)，按高程加厚，底部靠近基座2.4m范圍采用放大腳與混凝土基座相連接，心墻厚度擴(kuò)大為2.2m，與基座防滲系統(tǒng)連接，河床段與兩岸段連接形式如圖3所示。

圖3 心墻與兩岸坡基礎(chǔ)連接型式 心墻與河床覆蓋層基礎(chǔ)連接型式

1.2 壩基滲控設(shè)計(jì)

按照規(guī)范要求覆蓋層大于15m宜采用防滲墻對(duì)河床段進(jìn)行防滲處理，本工程河床段覆蓋層最大深度達(dá)38m，因此，覆蓋層采用混凝土基座+混凝土防滲墻+帷幕灌漿方案，防滲墻為C20、厚0.8m，入巖1m，帷幕伸入q≤5Lu下限以下5m，帷幕最大深度為46m，單排，帷幕孔的孔距2m。兩岸瀝青心墻位于混凝土基座上，兩岸基礎(chǔ)混凝土寬6.0m、厚1.0m，混凝土為C20F100W6；河床部位基礎(chǔ)混凝土寬3.0m、厚2.3m，混凝土為C25F100W6，在建基面表層基巖的張開裂隙帶或中等透水帶進(jìn)行固結(jié)灌漿，灌漿深度5m，以下連接帷幕。

2 滲流計(jì)算分析

為更好的復(fù)核本工程滲流控制設(shè)計(jì)是否滿足滲流要求，對(duì)設(shè)計(jì)方案大壩進(jìn)行三維有限元滲流計(jì)算分析。依據(jù)地形圖、水文地質(zhì)剖面圖、水工設(shè)計(jì)圖，采用三維有限元軟件建立樞紐區(qū)的三維滲流分析有限元網(wǎng)格模型，該方法生成的C3D8P單元為六面體八節(jié)點(diǎn)等參有限單元，局部區(qū)域采用四面體單元或五面體單元過渡銜接。壩體實(shí)體幾何模型及三維有限元網(wǎng)格剖分圖如圖4所示，大壩防滲體系三維有限元網(wǎng)格剖分圖如圖5所示。

圖4 壩體實(shí)體幾何模型及三維有限元網(wǎng)格剖分圖

圖5 大壩防滲體系三維有限元網(wǎng)格剖分圖

根據(jù)工程各個(gè)特征水位確定計(jì)算工況，下游水位取對(duì)應(yīng)工況下的下游河道水位，具體計(jì)算工況見表1。

表1 大壩滲流場(chǎng)計(jì)算邊界條件表

借鑒類似工程及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出各材料分區(qū)滲透系數(shù)取值見表2。

表2 各材料分區(qū)材料參數(shù)

3 滲流計(jì)算評(píng)價(jià)

按照本工程壩體、基礎(chǔ)滲流控制設(shè)計(jì)方案建立模型計(jì)算上述3種工況，當(dāng)正常蓄水位時(shí)，通過模型三維滲流場(chǎng)成果等值線云圖可知，心墻下游側(cè)水位大幅降低，且壩體內(nèi)浸潤(rùn)線很低很平緩，基本上位于覆蓋層內(nèi)部，壩體最大斷面庫(kù)水位受防滲體作用折減率達(dá)94.5%，等水頭線云圖分布規(guī)律符合一般覆蓋層上土石壩滲流場(chǎng)規(guī)律。

統(tǒng)計(jì)各個(gè)區(qū)域滲漏量可知，壩體、兩岸山體、壩基覆蓋層與基巖總的滲流量為122.12L/s，其中河床較寬滲流量為77.56L/s，滲流量占總滲流量63.5%。左岸繞滲滲流量為16.28L/s，滲流量占總滲流量13.3%。，右岸繞滲滲流量為28.29L/s，滲流量占總滲流量23.2%。上述計(jì)算表明在正常蓄水位時(shí)，當(dāng)壩體壩基防滲體系完好時(shí)，工程區(qū)多年平均流量為5.4m3/s，滲流量占全年徑流量2.2%，表明大壩防滲體設(shè)計(jì)方案是有效可行的。

壩基覆蓋層土體的水力梯度均未超過其相應(yīng)的允許比降見表3。表明在設(shè)計(jì)防滲體系完好的情況下，壩基覆蓋層土體均滿足滲透穩(wěn)定要求。

表3 正常蓄水位下壩軸線剖面壩體壩基滲流量計(jì)成果

設(shè)計(jì)洪水位與校核洪水位計(jì)算規(guī)律與正常蓄水位一致，考慮篇幅因此，僅給出正常蓄水位計(jì)算成果云圖，其余計(jì)算成果見表3。

4 結(jié)語

新疆境內(nèi)百米級(jí)瀝青心墻壩建設(shè)無論從技術(shù)還是材料都很成熟，本工程位于寬河谷砂礫石覆蓋層上，覆蓋層下伏基巖為西域礫巖，礫巖呈巨厚層狀，分選性較差，庫(kù)壩區(qū)地層較為單一，均為第四系地層，礫巖主要為泥鈣質(zhì)中等膠結(jié)，遇水軟化，抗沖蝕能力較差?？紤]蓄水位后礫巖特性可能發(fā)生變化，因此，大壩與基礎(chǔ)的滲控設(shè)計(jì)極為重要。本文結(jié)合經(jīng)驗(yàn)及規(guī)范對(duì)大壩及基礎(chǔ)提出一套滲控設(shè)計(jì)，筑壩材料也提出了相應(yīng)滲透系數(shù)指標(biāo)，結(jié)合大型有限元軟件對(duì)整個(gè)工程區(qū)進(jìn)行三維滲流評(píng)價(jià)，在正常蓄水位等工況下，壩體、山體、壩基滲流場(chǎng)的水頭分布規(guī)律合理，水頭等值線在瀝青混凝土心墻、固結(jié)灌漿、帷幕中較為密集，符合一般滲流場(chǎng)分布規(guī)律。下游出逸點(diǎn)最大水力梯度均未超過其相應(yīng)的允許比降，壩基覆蓋層土體均滿足滲透穩(wěn)定要求。當(dāng)滿足滲控設(shè)計(jì)要求時(shí)，壩軸線斷面滲漏量占整個(gè)河道徑流2.2%，也可表明在該壩址修建大壩、防滲系統(tǒng)采用瀝青混凝土心墻+防滲墻+帷幕灌漿防滲設(shè)計(jì)方案是可行、有效的，大壩滲控設(shè)計(jì)滿足要求。