張 偉，呂國(guó)梁，王金龍，肖 利

二維滲流計(jì)算對(duì)各滲透性分區(qū)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行了敏感性計(jì)算分析，給出了不利參數(shù)組合，并對(duì)心墻存在的局部尺寸不足以及心墻水平裂縫條件下的滲流狀態(tài)以及靜壓注漿體滲控效果進(jìn)行了分析，認(rèn)為靜壓注漿體滲透系數(shù)在不大于10－4cm／s時(shí)，能夠改善大壩滲流狀態(tài)并使之滿足滲透穩(wěn)定性要求?？紤]到左岸土石壩連接壩段的實(shí)際情況以及局部靜壓注漿，采用三維穩(wěn)定滲流計(jì)算方法［1］對(duì)不同條件下土石壩滲流狀態(tài)以及靜壓注漿體滲控效果進(jìn)行了進(jìn)一步的計(jì)算分析，并對(duì)心墻與基巖以及心墻與混凝土壩體接觸部位的滲透穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 計(jì)算模型參數(shù)與計(jì)算條件

采用三維穩(wěn)定滲流有限元計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算［1］，重點(diǎn)分析心墻局部尺寸不足部位、心墻與混凝土接觸部位以及心墻與基巖接觸部位等滲透穩(wěn)定性，評(píng)價(jià)現(xiàn)有土石壩連接壩段的滲透穩(wěn)定性，對(duì)擬采用的靜壓注漿體的滲控效果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

1．1 計(jì)算模型

（1）計(jì)算模型范圍。以左岸土石壩尖山為分界點(diǎn)，選擇0＋900為起始計(jì)算斷面，終點(diǎn)為混凝土壩與土石壩的結(jié)合斷面（樁號(hào)1＋192．3），其中1＋153～1＋192．3段心墻內(nèi)無塑性混凝土防滲墻。在計(jì)算模型范圍內(nèi)，按照間距40 m給出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)斷面［2］，作為本次計(jì)算斷面，計(jì)算斷面布置見圖1。模型的底部邊界取至高程48 m處，并作為隔水邊界；從壩軸線向上下游各延伸200 m作為模型的計(jì)算域，并將此模型兩端邊界作為隔水邊界考慮；上游壩坡以及庫(kù)底作為定水頭邊界，取上游水位174．35 m；壩體內(nèi)部為浸潤(rùn)線，作為流量為0的邊界，且水頭等于其位置高程；下游壩坡作為出逸邊界，下游擋墻后最低地面高程作為下游水位邊界，取105．35 m。

圖1 計(jì)算斷面平面布置Fig．1 The layout of the computation cross－sections

（2）模型概化。各個(gè)斷面滲透性分區(qū)相同，以1＋180斷面為例，說明計(jì)算域內(nèi)的滲透性分區(qū)（見圖2）。與二維滲流計(jì)算分區(qū)相同，滲透性分區(qū)為：老壩上游壩殼料、新壩上游壩殼料、反濾料、心墻料、老壩下游壩殼料、靜壓注漿區(qū)、基巖。壩下游排水棱體作為充分排水體，不作為計(jì)算域的一個(gè)分區(qū)，將其上游側(cè)作為出逸邊界。計(jì)算中不考慮塑性混凝土防滲墻的作用。

圖2 滲透性分區(qū)（1＋180）Fig．2 The partition of the permeability at section 1＋180

1．2 計(jì)算參數(shù)

按照二維滲流計(jì)算結(jié)果，各滲透性分區(qū)計(jì)算參數(shù)取值見表1。

表1 各滲透性分區(qū)計(jì)算參數(shù)Table 1 The calculated parameters of the partition of permeability

1．3 計(jì)算條件

模型上、下游邊界均為定水頭邊界，上游邊界對(duì)應(yīng)上游水位174．35 m，下游邊界對(duì)應(yīng)下游水位105．35 m，模型左、右側(cè)邊以及底邊為隔水邊界。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2．1 心墻無缺陷條件下靜壓注漿體滲控效果分析

2．1．1 心墻無缺陷條件下的滲流計(jì)算結(jié)果及分析

方案1是考慮心墻無缺陷的情況，重點(diǎn)分析大壩現(xiàn)狀條件下的滲流狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 心墻無缺陷條件下滲流計(jì)算結(jié)果（方案1）Table 2 The results of the seepage calculation under the condition of the core wall without defects（scheme 1）

從表2可以看出：下游壩殼料出逸點(diǎn)高程為116．7～145．9 m，均低于相應(yīng)的排水棱體頂部高程，即出逸點(diǎn)都在排水棱體內(nèi)，說明現(xiàn)有排水棱體設(shè)計(jì)高程滿足壩體排水要求；心墻底部滲透比降變化范圍為0．98～2．36，均小于原設(shè)計(jì)要求的2．5～5，說明大壩加高后仍能滿足設(shè)計(jì)要求；心墻中部及狹窄處滲透比降為1．14～5．84，其中 1＋140，1＋153，1＋180斷面心墻中滲透比降接近或超過5，介于原設(shè)計(jì)規(guī)定的5～10之間，安全裕度不足，說明局部心墻尺寸不足導(dǎo)致其承擔(dān)了過高的滲透比降；下游砂卵石壩殼料承擔(dān)的滲透比降為0．08～2．16，已經(jīng)超過或介于表1所列的臨界比降1．25～3．5，顯然砂卵石內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生顆粒的調(diào)整。有利的一面是所有出逸點(diǎn)均位于排水棱體中，因此，做好排水棱體前的反濾，可以有效地保證砂卵石壩殼料的滲透穩(wěn)定性。土石壩與混凝土壩接觸部位滲透比降最大為1．14，小于原設(shè)計(jì)要求的2．5～5。表2還給出了每2個(gè)斷面之間壩段的滲漏量，其總的滲漏量為541．1 m3／d。

2．1．2 心墻無缺陷條件下靜壓注漿體滲控效果分析

方案2是在方案1的基礎(chǔ)上實(shí)施了靜壓注漿措施。靜壓注漿起始樁號(hào)為1＋100，結(jié)束樁號(hào)為1＋192．3，即與混凝土壩段連接起來，靜壓注漿體布置在心墻上游側(cè)，高程158 m以下，寬度7～10 m不等。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 心墻無缺陷和靜壓注漿條件下滲流計(jì)算結(jié)果（方案2）Table 3 The results of the seepage calculation under the condition of core wall without defects and static pressure grouting（scheme 2）

從表3可以得到：下游壩殼料出逸點(diǎn)高程為116．0～145．8 m，均低于相應(yīng)的排水棱體頂部高程，對(duì)比方案1的結(jié)果，出逸點(diǎn)高程降低最大幅度為0．7 m，表明靜壓注漿具有一定效果；心墻底部滲透比降為0．89～1．99，小于方案1的計(jì)算結(jié)果，說明靜壓注漿措施的實(shí)施降低了心墻底部承擔(dān)的滲透比降；心墻中部滲透比降為1．00～4．86，均小于丹江口原設(shè)計(jì)規(guī)定的5～10，說明靜壓注漿對(duì)局部心墻尺寸不足具有較好的彌補(bǔ)作用，有助于改善心墻滲透比降局部偏大的現(xiàn)象；下游壩殼料承擔(dān)的滲透比降為0．08～2．09，也超過了表 1所列的臨界比降1．25～3．50，說明大壩加高后，盡管采用了靜壓注漿，仍然需要做好排水棱體前的反濾，來保證砂卵石壩殼料的滲透穩(wěn)定性；土石壩心墻與混凝土壩接觸部位最大滲透比降為1．00，與方案1相比稍有降低；方案2總的滲漏量為512．3 m3／d，與方案1相比略有降低。

2．2 心墻缺陷條件下靜壓注漿體滲控效果分析

2．2．1 心墻缺陷條件下的滲流計(jì)算結(jié)果及分析

方案3是在方案1的基礎(chǔ)上，在1＋180斷面附近考慮一條橫向垂直裂縫，其等效滲透系數(shù)與上游壩殼料一樣，垂直裂縫產(chǎn)生在老壩心墻內(nèi)，底部與基巖相接，上部達(dá)到157 m高程。心墻缺陷條件下的三維滲流計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 心墻缺陷條件下滲流計(jì)算結(jié)果（方案3）Table 4 The results of the seepage calculation under the condition of the core wall without defects（scheme 3）

從表4可以得到：下游壩殼料出逸點(diǎn)高程為118．7～145．8 m，與方案 1相比，盡管有所上升，但仍然低于相應(yīng)的排水棱體頂部高程，壩下游排水棱體較好的排水作用使得下游壩殼料出逸點(diǎn)抬高幅度有限；心墻底部滲透比降為0．79～1．47，均小于丹江口原設(shè)計(jì)規(guī)定的2．5～5，也小于方案1的計(jì)算結(jié)果，其原因是心墻裂縫使得心墻后水位升高，心墻前后水頭差減?。恍膲χ胁繚B透比降為0．78～4．59，均小于丹江口原設(shè)計(jì)規(guī)定的5～10，也小于方案1各計(jì)算斷面相應(yīng)滲透比降，變化規(guī)律與心墻底部滲透比降一樣；下游壩殼料承擔(dān)的滲透比降為0．14～2．88，與方案1相比，壩殼料承擔(dān)的滲透比降大幅度增加，尤其是1＋180周圍斷面，可見，心墻產(chǎn)生裂縫后，減小了心墻的防滲作用，對(duì)下游壩殼料的滲透穩(wěn)定性帶來了不利影響?？紤]到下游壩殼料出逸點(diǎn)仍然低于下游壩坡坡腳排水棱體頂高程，因此，通過在排水棱體和下游擋墻前設(shè)置合理的反濾層，仍然可以保證下游壩殼料的滲透穩(wěn)定性。土石壩心墻與混凝土壩接觸部位中部滲透比降為0．78，底部滲透比降0．79，均滿足規(guī)范要求；表4還給出方案3總的滲漏量為1 017．3 m3／d，約為方案1的2倍。

2．2．2 心墻缺陷條件下靜壓注漿體滲控效果分析

方案4是在方案3的基礎(chǔ)上，考慮在心墻上游側(cè)一定范圍實(shí)施靜壓注漿，注漿的范圍及注漿區(qū)參數(shù)同方案2，計(jì)算結(jié)果見表5，部分?jǐn)嗝娴葎?shì)線見圖3、圖4。

表5 心墻缺陷和靜壓注漿條件下三維滲流計(jì)算結(jié)果（方案4）Table 5 The results of the seepage calculation under the condition of the core wall with defects and static pressure grouting（scheme 4）

圖3 1＋100斷面水位等勢(shì)線分布（單位：m）Fig．3 The water level equipotential lines at the section 1＋100

圖4 1＋180斷面水位等勢(shì)線分布（單位：m）Fig．4 The water level equipotential lines at the section 1＋180

從表5和圖3、圖4分析可知，下游壩殼料出逸點(diǎn)高程為116．8～145．8 m，與方案3相比，有所降低，但幅度有限，出逸點(diǎn)高程低于相應(yīng)的排水棱體頂部高程；心墻底部滲透比降為1．01～1．98，均小于丹江口原設(shè)計(jì)規(guī)定的2．5～5，與方案3相比，由于靜壓注漿首先對(duì)心墻裂縫具有明顯的封堵作用，使得1＋180的臨近斷面心墻后水位顯著降低，而心墻底部承擔(dān)的滲透比降反而增加，其他壩段變化不大；心墻中部滲透比降為1．00～4．60，均小于丹江口原設(shè)計(jì)規(guī)定的5～10，其變化規(guī)律與心墻底部滲透比降一樣；下游壩殼料承擔(dān)的滲透比降為0．11～2．37，與方案3相比，壩殼料承擔(dān)的滲透比降明顯減少，尤其是1＋180斷面，滲透比降減少近40%，可見，靜壓注漿對(duì)降低下游壩殼料承擔(dān)的滲透比降具有較好的作用；土石壩心墻與混凝土壩接觸部位中部滲透比降為1．00，底部滲透比降為1．05，均滿足丹江口原設(shè)計(jì)對(duì)滲透比降的要求；方案4總的滲漏量為635．9 m3／d，與方案3相比，顯著減少。

3 結(jié) 論

（1）心墻無缺陷條件下，由于心墻尺寸變化較大，1＋180，1＋140，1＋153這3個(gè)斷面心墻承擔(dān)的滲透比降接近和介于5～10之間，與丹江口原設(shè)計(jì)要求的臨界值接近。采用靜壓注漿后，這些斷面心墻承擔(dān)的滲透比降均小于5，滿足丹江口原設(shè)計(jì)要求，靜壓注漿在某種程度上彌補(bǔ)了局部心墻尺寸不足的問題。

（2）心墻出現(xiàn)裂縫，造成下游壩殼料局部水位大幅升高，不利于下游壩殼料的滲透穩(wěn)定性。靜壓注漿體能夠在很大程度上抑制心墻裂縫的影響，顯著降低下游壩殼料內(nèi)局部自由面，減少裂縫滲漏量。因此，靜壓注漿的實(shí)施能夠有效改善大壩的滲流狀態(tài)。

（3）無論靜壓注漿與否，下游砂卵石壩殼料局部承擔(dān)的滲透比降均較大，很可能會(huì)引起砂卵石的滲透變形，好在砂卵石壩殼料出逸點(diǎn)均位于排水棱體和下游擋墻中，只要在排水棱體和下游擋墻前做好反濾層，對(duì)砂卵石起到排水保土作用，砂卵石滲流出口不破壞，就能保證下游壩殼料的滲透穩(wěn)定性。

建議在大壩加高時(shí)做好排水棱體和下游擋墻前反濾層，保證砂卵石壩殼料的滲透穩(wěn)定性。

［1］ 張家發(fā)．裂隙巖體滲流參數(shù)討論和滲流場(chǎng)有限元計(jì)算與分析［J］．長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，1990（2）：56－64．

［2］ 王從兵，陳志康，王 莉，等．丹江口水利樞紐大壩加高工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告修訂本（中冊(cè)）［R］．武漢：長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，2004．