鉛山混凝土面板壩面板失效和臨時度汛條件下三維滲流特性

摘 要：混凝土面板和接縫止水是面板堆石壩壩體主要防滲結構，面板開裂或止水失效會顯著影響裂縫或失效部位局部范圍滲流場分布，影響大壩正常服役性能。為探究面板局部開裂和止水結構失效引起的滲流安全問題，設計不同面板開裂和止水失效位置，建立鉛山抽蓄電站混凝土面板壩三維滲流有限元分析模型，研究其滲流位勢分布、滲透坡降和滲透流量演化規律，探明面板開裂和止水失效的影響，并開展臨時度汛條件下墊層料滲透系數敏感特性分析。結果表明：隨著面板止水結構失效、開裂位置降低，通過面板滲透流量增大。臨時度汛條件下，隨墊層滲透系數增大，墊層最大平均滲透坡降減小。墊層滲透系數從1. 0×10-5 m/s增大至5. 0×10-5 m/s時，墊層最大平均滲透坡降減小了1. 94。建議墊層滲透系數宜大于5. 0×10-5 m/s，可提高臨時度汛條件下墊層滲透穩定安全。研究成果可為類似抽蓄電站面板堆石壩防滲體系設計和施工提供理論依據。

關鍵詞：混凝土面板壩；面板失效；臨時度汛；滲流分析；鉛山抽蓄電站

中圖分類號：TV223. 4 文獻標識碼：A 文章編號：1001-9235（2025）03-0039-07

Three-Dimensional Seepage Characteristics of Yanshan Concrete Slab Dam under Slab"Failure and Temporary Flood Conditions

YUE Xiao1， CHEN Dewen1， HUANG Xinyi2， GAN Lei2*， SHEN Zhenzhong2

Abstract： Concrete slabs and water stop joints are the main seepage control structures of the slab rockfill dams. Slab cracking or water stop failure will significantly affect the distribution of seepage fields in the local area of the cracks or the failure site， which will threaten the normal service performance of the dam. To investigate the seepage safety problems caused by local slab cracking and failure of water stop structures， different positions of slab cracking and water stop failure were designed， and a three-dimensional seepage finite element analysis model of the concrete slab dam of Yanshan pumping and storage power station was established. The evolution law of seepage potential distribution， seepage gradient， and seepage flow rate was studied. The effects of slab cracking and water stop failure were explored， and the sensitivity of the cushion material's permeability coefficient under temporary flood conditions was analyzed. The results show that the seepage flow rate through the slab increases as the water stop structure fails， and the cracking position decreases. Under temporary flood conditions， the maximum average seepage gradient of the cushion decreases with the increase in permeability coefficient. When the permeability coefficient of the cushion increases from 1. 0 × 10?5 m/s to 5. 0 × 10?5 m/s， the maximum average seepage gradient of the cushion decreases by 1. 94. It is suggested that the permeability coefficient of the"cushion should be greater than 5. 0 × 10?5 m/s， which can improve the stability and safety of cushion seepage under temporary flood conditions. The research results can provide a theoretical basis for the design and construction of a slab rockfill dam anti-seepage system of similar pumping and storage power stations.

Keywords： concrete slab dam; slab failure; temporary flood; seepage analysis; Yanshan pumping and storage power station

混凝土面板堆石壩是抽水蓄能電站常采用的優勢壩型，具有施工便捷、適應性良好、造價低等特點。壩區滲流安全是保障大壩安全運行和電站效益發揮的前提。混凝土面板和止水結構是面板堆石壩的重要防滲結構，一旦面板局部開裂或者垂直縫止水失效，會威脅大壩整體安全和效益［1］。

混凝土面板不僅可防止滲漏，還可傳遞水壓力。面板堆石壩面板開裂主要是由壩體不均勻變形、溫度應力、干縮應力、施工原因等原因引起［2-5］。姜媛媛等［6］發現當面板局部發生水平或豎向裂縫時，裂縫附近墊層過渡料區中會出現集中水頭損失和較大滲透坡降。林起明等［7］探究了大壩在各種裂縫情況下滲流特性，認為面板任意位置開裂，其壩體填料滲透坡降會顯著提高，易產生滲透破壞，且滲流量急劇增加。張曉強等［8］以班多面板堆石壩為例，分析比較了面板接縫止水失效位置、失效長度和失效寬度對壩體壩基及止水失效局部區域滲流場特性的影響，指出壩體內浸潤面、滲透流量隨接縫失效尺寸的增大而提高。溫鵬業［9］認為相比于裂縫止水結構失效引起的壩體滲流場變化，面板滲透系數對壩體滲流場影響更大一些。熊璐等［10］認為面板接縫失效后，墊層區能擋住70%左右的水頭，成為防滲的第二道防線。

面板堆石壩施工周期較長，往往跨多個汛期，且面板施工順序靠后，在水位高、變化快的汛期常需采用壩體臨時斷面擋水度汛和墊層直接擋水度汛，以保障汛期面板堆石壩滲透穩定安全［11］。因此墊層設計至關重要，不僅對面板起柔性支承作用且起臨時擋水作用。墊層直接擋水度汛時，壩體水頭差、坡降、流速隨著墊層區、過渡區和主堆石滲透系數增加而減小［12］。張鳳財等［13］計算猴子巖堆石壩防滲面板出現裂縫時的滲流場，指出墊層滲透系數對滲流場和滲流量的影響較大，但未考慮墊層滲透系數。喬蓓等［14］

提出單縫失效時，垂直縫位置、縫寬、縫長及墊層滲透系數與各滲流控制要素呈正相關。Gan等［15］提出了一種新的滲流反演技術來預測裂隙或斷層發育的巖體的滲透系數。

綜上所述，墊層作為第二道防滲生命線或臨時度汛時起直接擋水作用已有所認識，但缺乏臨時度汛條件下墊層滲透系數變化對壩體滲流場分布影響的定量研究，本文以鉛山抽水蓄能電站混凝土面板壩為研究對象，建立其三維滲流有限元分析模型，開展面板止水結構失效、局部開裂和臨時度汛條件下墊層滲透系數敏感性分析，研究面板止水結構失效、局部開裂及不同失效位置引起的滲流影響，確定臨時度汛條件下墊層料合理的滲透參數，以期為類似工程提供借鑒。

1 基本理論

本文采用三維有限元滲流分析程序［16-18］，飽和滲流有限元控制微分方程如下：

?s?h?h

式中：h為總水頭；kisj為飽和滲透系數張量；Ss為彈性貯水率，飽和土體的Ss為一個常數；Q為源匯項。

飽和穩定-非穩定滲流微分方程的定解條件如下［19-20］：

a））初始條件

h（xi，0） =h（xi，t0）， i= 1，2，3（2） b））邊界條件

-kij

（5）式中：ni為邊界面外法線方向余弦；t0為初始時刻；h1為已知水頭；qn為已知流量；Γ1為已知水頭邊界；Γ2為已知流量邊界；Γ3為飽和逸出面邊界。滲流邊界見圖1。

2 實例分析

2. 1 計算模型

鉛山混凝土面板堆石壩位于江西省上饒市鉛山縣，壩頂高程1 048. 00 m，最大壩高為93. 0 m，壩頂長463. 0 m，壩頂寬8 m。防浪墻頂高程1 049. 20 m，壩體上、下游壩坡坡比為1. 0∶1. 4。上水庫正常蓄水位1 044. 00 m，相應死水位為1 015. 00 m。采用“控制斷面超單元有限元網格自動剖分法”，截取從混凝土面板壩上游坡腳以上703 m至下游坡腳以下314 m，左、右岸邊界分別截取至左壩肩以左459 m、右壩肩以右384 m；頂高程按實際地形考慮，底高程截至800 m，至新鮮巖體。模型截取范圍見圖2。

模型采用笛卡爾坐標系，具體如下：原點取大地坐標（x，y）=（567 793. 049，3 095 415. 779）；取X軸為順河流方向，垂直于壩軸線，上游指向下游為正；Y軸為壩軸線方向，右岸指向左岸為正；Z軸為垂直方向，向上為正，與高程一致。

根據建筑物布置、巖體分層、斷層構造以及計算要求等信息，建立三維有限元計算模型。取控制斷面15個。首先形成三維超單元網格，加密細分后形成三維有限元網格，庫盆開挖及工程竣工后生成的有限元網格結點總數為36 136個，單元總數為34 632個。庫盆開挖及工程竣工后計算模型三維有限元網格見圖3。對河床段部分模型進行加密，建立精細的三維滲流有限元模型。加密細分部分的有限元網格見圖4，節點數為5 940，單元總數5 640。墊層區域局部網格進行了加密處理，加密后的有限元網格見圖5。

建立模型時，除特殊結構外，各主要建筑物（或結構）均按實際尺寸模擬。防滲帷幕僅考慮最深的一排，滲透系數按實際考慮。對上水庫壩址區巖體按不同呂榮值（Lu）進行分層模擬，分別為微透水層（＜1 Lu），微弱透水層（1～3 Lu），弱透水層下段（3～5 Lu），弱透水層上段（＞5 Lu）；由于計算區域內無對計算影響較大斷層，無需對斷層進行模擬。面板垂直止水結構失效或開裂裂縫采用流量等效原則進行模擬［21］。

2. 2 計算參數和工況

2. 2. 1 反演參數及邊界條件

結合工程實際地質情況以及反演分析成果，確定上水庫各巖層滲透系數見表1，表2為壩體各材料分區滲透參數［22-23］。

模型計算邊界主要有水頭邊界、不透水邊界和出滲邊界。具體如下：已知水頭邊界包括水庫蓄水位以下的給定水頭邊界，以及給定地下水位的地下分水嶺、截取邊界；出滲邊界包括水庫蓄水位以上的左、右岸和其他庫盆山坡的迎水面，所有與大氣接觸的邊界；不透水邊界包括模型底面以及模型四周（上下游及兩側）截取邊界。

2. 2. 2 計算工況

為研究面板止水結構不同失效位置、面板不同開裂位置和墊層不同滲透系數對壩體滲流特性的影響，設計了正常運行期不同高程位置處止水部分失效、面板部分開裂和臨時度汛條件下墊層滲透系數敏感性分析3組試驗方案。D-1方案模擬的是面板垂直止縫水部分失效工況；D-2方案模擬的是面板部分開裂工況；D-3模擬的是墊層滲透系數敏感性分析工況，表3為計算工況［9，24］。

2. 3 計算結果

2. 3. 1 垂直縫止水失效和面板開裂工況

各工況主要防滲體和重要部位巖體的最大滲透坡降見表4。當止水失效和面板開裂時，面板滲透坡降變化在0. 4%以內，基巖的滲透坡降穩定在0. 170左右，因而對壩內堆石體等各分區填筑體基本沒有影響，壩體的滲透穩定性滿足要求。

各工況通過混凝土面板滲流量見表5。由表5可知，當止水失效時，滲流量變化可增加12. 23%；面板部分開裂時，滲流量變化可高至40. 89%。與防滲體系完好相比，止水失效、面板部分開裂時，滲流量明顯增大。因此，由于裂縫的存在，通過混凝土面板滲流量明顯增大，與防滲面板完好時相比，該變化流量主要由止水失效和面板開裂部位產生。當止水失效，且失效位置高程從990 m到1 030 m時，滲流量變化從12. 23%降低至4. 18%。當面板開裂，且失效位置高程從990 m至1 030 m時，滲流量變化從40. 89%顯著降低至15. 13%。因而，面板止水結構、面板裂縫不同失效位置對滲透流量變化較為敏感，相同失效縫長和失效縫寬時，面板止水結構、面板縫失效部位作用的水頭越大，通過面板的滲透流量也越大。隨著面板止水結構失效、面板開裂位置降低，通過面板的滲流量增大。

面板垂直縫止水結構失效對滲透坡降的影響主要體現在失效裂縫局部范圍內（圖6）。當止水失效位于990 m高程時，失效影響局部滲流場順坡向范圍為9. 970 m，面板法向方向上形成局部飽和區，飽和區深度約為1. 232 m；而當止水失效處于高程1 030 m時，失效影響局部滲流場順坡向范圍為6. 783 m，飽和區深度約為0. 554 m。可見在面板止水結構失效區下部墊層內，隨著面板止水結構失效位置高程降低，飽和區范圍越大。當面板開裂處位于高程990 m時，裂縫影響局部滲流場順坡向范圍為4. 320 m，面板法向方向上形成局部飽和區，飽和區深度約為0. 497 m；而當面板開裂處處于高程1 030 m時，裂縫影響局部滲流場順坡向范圍為1. 435 m，飽和區深度約為0. 438 m。飽和區在面板開裂失效區下部墊層內，且隨面板開裂失效位置高程降低，墊層內飽和區范圍越大。

2. 3. 2 臨時度汛工況

臨時度汛條件下，墊層不同滲透系數工況下Y = 637 m剖面位勢分布見圖7。壩體浸潤面較高，絕大部分壩體均處于飽和狀態，總體呈現向下游降低的趨勢。浸潤面在墊層上下游側形成突降，但對距兩岸較遠位置處的地下水滲流場影響不大。因此，墊層滲透系數對在墊層上、下游側浸潤面位勢分布較敏感，而對較遠處的地下水滲流場不敏感。

表6中給出了墊層下游浸潤面最高位置。由表6可知，可知隨著墊層滲透系數的增大，墊層后浸潤面最高點高程從984. 33 m升高至987. 70 m，且削減水頭百分率從7. 43%降低至3. 62%。因此，隨著墊層滲透系數的增加，上水庫庫區和兩岸壩肩以及周邊較小范圍內的地下水位升高，墊層削減水頭百分率下降。由于面板未施工，墊層直接面臨水頭作用，墊層滲透系數越大，削減水頭率越低，而墊層后的過渡層和堆石區滲透系數較大，庫水會快速通過壩體流向下游。

墊層和堆石體的最大平均滲透坡降見表7。與D-3-3相比，墊層滲透系數從1. 0×10-5 m/s增至5. 0×10-5 m/s，墊層平均最大滲透坡降減小了1. 94，墊層滲透系數對墊層平均最大滲透坡降較為敏感。并且隨著墊層滲透系數的增大，墊層的平均最大滲透坡降降低。此外，堆石區最大平均滲透坡降較小，小于其允許滲透坡降，滿足滲透穩定要求。

墊層作為大壩第二道防滲體系，其滲透系數選取至關重要，建議墊層滲透系數取大于5. 0×10-5 m/s，可一定程度上提高臨時度汛條件下墊層滲透穩定安全。

3 結論

a））在止水失效和面板開裂前后，面板、基巖滲透坡降基本分別穩定在177. 50和0. 17左右，當止水失效、面板開裂時，滲流量分別增加12. 23%和40. 89%。因此，由于裂縫的存在，通過混凝土面板滲流量明顯增大。隨著面板止水結構失效、面板開裂位置降低，通過面板的滲流量增大。

b））臨時度汛工況下，隨著墊層滲透系數的增大，墊層后浸潤面最高點高程抬升了3. 37 m，且削減水頭百分率從7. 43%降低至3. 62%。墊層滲透系數越大，削減水頭率越低。

c））臨時度汛工況下，墊層滲透系數對在墊層上、下游側浸潤面位勢分布、墊層平均最大滲透坡降較敏感，而對較遠處的地下水滲流場不敏感。隨著墊層滲透系數增大，墊層平均滲透坡降減小。墊層滲透系數從1. 0×10-5 m/s增大至5. 0×10-5 m/s時，墊層平均最大滲透坡降減小了1. 94。建議墊層滲透系數宜大于5. 0×10-5 m/s，可提高臨時度汛工況下墊層滲透穩定安全。

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