唐瑜蓮，丁兵勇

(1.浙江省水利水電技術(shù)咨詢中心,浙江 杭州 310020；2.中國電建華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 311122)

深厚覆蓋層地基高心墻堆石壩滲流特性三維仿真分析

唐瑜蓮1，丁兵勇2

(1.浙江省水利水電技術(shù)咨詢中心,浙江 杭州 310020；2.中國電建華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 311122)

在深厚覆蓋層上修建高心墻堆石壩，高水頭滲透壓力在壩體、心墻、壩基巖土體和兩岸壩肩中所形成的滲流場極為復(fù)雜.以瀑布溝水電站為例，對土質(zhì)心墻堆石壩進(jìn)行了三維穩(wěn)定滲流場仿真模擬，重點(diǎn)研究了壩體、壩基深厚覆蓋層和兩岸壩肩滲流場的滲流特性，并選取了4個(gè)方案對不同防滲措施進(jìn)行組合對比分析，推薦“兩道封閉式防滲墻+灌漿防滲帷幕”為優(yōu)化防滲措施，認(rèn)為該方案在深厚覆蓋層土石壩工程中安全可靠.

深覆蓋層；心墻堆石壩；滲流特性；防滲墻

土質(zhì)心墻堆石壩投資省、施工簡單、就地取材，具有對壩基條件適應(yīng)性好、能充分利用施工開挖料、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，是目前世界各國廣泛采用的土石壩壩型，已建和在建230 m以上的高壩中，土質(zhì)心墻堆石壩約占55.5%[1].滲流和滲透控制是土石壩工程中的一項(xiàng)極其重要的課題，直接關(guān)系到工程的安全和投資.根據(jù)我國對241座大型水庫曾發(fā)生的1 000個(gè)工程安全問題所作的統(tǒng)計(jì)，其中有37.1%的安全問題是由于滲透破壞引起的[2-3].尤其是深厚覆蓋層上修建的高心墻堆石壩，由于水庫高水頭滲透壓力在壩體、心墻、壩基巖土體和兩岸壩肩巖體裂隙中所形成的滲流場極為復(fù)雜，且滲流場的真實(shí)性態(tài)與穩(wěn)定直接影響壩體和壩基的安全穩(wěn)定，有必要采用三維數(shù)值仿真方法，研究這類型的高壩壩體和壩基滲流場的滲流特性，找出關(guān)鍵性影響因素，論證防滲措施的合理性、可靠性和分析潛在的問題，避免發(fā)生滲流不穩(wěn)定和滲透破壞等異?，F(xiàn)象，確保大壩的運(yùn)行安全.

1 仿真方法和模型

1.1 仿真方法

滲流基本微分方程是根據(jù)能量守恒原理建立的流速和水頭之間的關(guān)系，即達(dá)西定律和地下水運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程聯(lián)合建立的，目前常用有限元法進(jìn)行求解.土石壩有自由面的滲流問題，因預(yù)先無法確定壩體中滲流自由面及逸出面的位置，土石壩滲流場的求解屬典型的邊界非線性問題[4]，需要進(jìn)行迭代求解.有自由面穩(wěn)定滲流問題的物理特性表現(xiàn)為：(1)自由面上任一點(diǎn)的水頭須等于相應(yīng)點(diǎn)處的位置水頭或壓力水頭；(2)在飽和滲流場問題中，自由面上的流量分布為零，即在自由面上下兩側(cè)的滲流實(shí)域和虛域之間不存在滲流量交換.目前求解這類問題的有限元分析方法總體上分為兩類：變網(wǎng)格迭代法和固定網(wǎng)格迭代法.

本文采用固定網(wǎng)絡(luò)迭代法中的改進(jìn)結(jié)點(diǎn)虛流量全域迭代法[5]，對包含壩體和壩基的全域三維模型進(jìn)行求解.基于真解滿足實(shí)域和虛域無流量交換的客觀事實(shí)，圍繞結(jié)點(diǎn)流量的連續(xù)條件，采用不斷扣除結(jié)點(diǎn)虛流量貢獻(xiàn)的方法，迭代求解追蹤該問題的真解，同時(shí)引入雙參數(shù)罰函數(shù)的改進(jìn)截止負(fù)壓法對結(jié)點(diǎn)虛流量進(jìn)行修正，充分考慮到過渡單元的飽和非飽和作用[4].該方法具有理論嚴(yán)密、迭代收斂速度快和計(jì)算精度較高的優(yōu)點(diǎn).

1.2 仿真模型

瀑布溝水電站壩址位于大渡河中游尼日河匯口上游，電站采用堤壩式開發(fā)，是一座以發(fā)電為主，兼有防洪、攔沙等綜合利用的大型水電工程.壩體采用土質(zhì)心墻堆石壩，最大壩高186 m，壩頂長573 m，水庫正常蓄水位850.00 m，死水位790.00 m，壩下常水位685.00 m.壩址河谷深切，呈“V”型峽谷地貌，兩岸谷坡陡峻，山體雄厚；河床覆蓋層平均厚60 m，最大厚度76 m，根據(jù)沉積時(shí)代、物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征，由老至新分三層：漂卵石層(Q32)、卵礫石層(Q41)、漂(塊)卵石層(Q42)；壩址基巖左岸及下游河床為中粗粒花崗巖，右岸大部及上游河床為淺變質(zhì)玄武巖.

為了精確地模擬工程區(qū)內(nèi)復(fù)雜滲流場，考慮水工結(jié)構(gòu)和滲控措施的布置情況、覆蓋層和巖體水文地質(zhì)特性及山壩址區(qū)的地形條件，經(jīng)綜合分析擬定計(jì)算域范圍(見圖1)為：左右岸大致取到兩岸山脊分水嶺處，左岸包括地下廠房洞室群[6]；上游取到距壩軸線以上1.2 km，約3倍壩底寬度；下游取到距壩軸線1.8 km的尾水洞出口處，包括了支流與干流的交匯處；地基邊界取到相對不透水邊界，覆蓋層以下深度約為1.5倍最大壩高.

為了盡可能精細(xì)反映壩體結(jié)構(gòu)、壩基覆蓋層地質(zhì)特性及防滲措施，按滲流計(jì)算特點(diǎn)合理地建立三維有限元模型[7-8]，主要以8結(jié)點(diǎn)六面體空間等參單元為主，局部區(qū)域以6結(jié)點(diǎn)五面體等參單元進(jìn)行過渡，單元?jiǎng)澐謺r(shí)滲流急變區(qū)(如心墻、混凝土防滲墻、帷幕等)附近單元密集，其他區(qū)域單元相對稀疏，且詳細(xì)模擬了防滲墻與壩體防滲體連接部位情況、心墻底部及兩岸壩肩心墻底部加寬等細(xì)部構(gòu)造(見圖2).

計(jì)算模型邊界條件的設(shè)定：鑒于大壩建于“V”型河谷，山體排水快，根據(jù)地質(zhì)勘測資料查明無明顯儲水構(gòu)造，計(jì)算域四周邊界在滿足計(jì)算精度的條件下設(shè)定為不透水邊界，水平底邊界取到相對不透水層也設(shè)為不透水邊界；水庫上、下游面分別取已知水頭值；因灌漿廊道混凝土的滲透能力要遠(yuǎn)小于其周圍礫石土心墻材料的滲透能力，設(shè)定廊道內(nèi)壁面為不透水邊界.

圖1 工程區(qū)三維滲流計(jì)算有限元模型

圖2 防滲措施有限元模型

1.3 計(jì)算參數(shù)

各材料分區(qū)的滲透系數(shù)根據(jù)鉆孔注水、壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合工程類比設(shè)定，取值(見表1).允許滲透比降分別取河床覆蓋層0.1，心墻3.0，混凝土防滲墻120.

表1 各材料分區(qū)滲透系數(shù)取值 cm/s

備注：水平與垂直滲透系數(shù)取值相同.

2 仿真成果分析

為提高大壩在運(yùn)行過程中不發(fā)生滲流不穩(wěn)定和滲透破壞等異?，F(xiàn)象的能力，本文選取了4個(gè)方案，對不同防滲措施進(jìn)行組合對比分析，以提出合理可靠的防滲方案及優(yōu)化意見.具體的方案說明(見表2).

表2 土質(zhì)心墻堆石壩滲控措施計(jì)算方案

(1)壩區(qū)滲流場特性：壩區(qū)的滲流場具有典型的三維特性(見圖3)，表現(xiàn)為大壩在蓄水后，滲透水流不僅通過心墻、壩基，還會(huì)繞過左右壩肩基巖向下游河床滲流，滲透水流面為環(huán)繞壩肩的曲面.由于河流在壩址處向左轉(zhuǎn)彎，且右岸下游500 m處有一條支流，其走向基本平行壩軸線，這樣的地形地貌就使得壩區(qū)左、右兩岸的壩肩繞滲呈現(xiàn)不對稱分布，即右岸山體單薄，滲徑較短，山體排水通暢，相應(yīng)的地下水位低于左岸.值得注意的是兩岸壩肩靠近壩體區(qū)域由于滲徑短，繞壩滲流作用強(qiáng)，等水頭線較遠(yuǎn)離壩體區(qū)域密集，因此壩端的滲流作用不可小視，嚴(yán)重影響壩體端部及壩肩的滲透穩(wěn)定性，有必要設(shè)置安全可靠的防滲帷幕.

(2)心墻和壩基滲流場特性：從方案1(見圖4)壩體防滲效果分析，心墻內(nèi)等水頭線密集，顯著降低了壩體浸潤線的高度，浸潤線幾乎沿著心墻下游面降落，到與下游水位同高程處水平延伸到下游水位，逸出點(diǎn)與下游水位基本重合.心墻灌漿廊道與混凝土防滲墻連接部位，等水頭線較為集中，該區(qū)域滲透梯度較大，也是心墻最大滲透比降(約達(dá)5.0)出現(xiàn)的部位，超過了粘土允許滲透比降值(3.0).建議該連接部位即心墻底部做特殊處理，即心墻底部加寬并采用高塑性粘土填筑，以承受高滲透比降，提高該部位抗?jié)B透變形能力，同時(shí)心墻底部和下游面設(shè)置可靠的反濾層保護(hù)滲流出口.從方案1壩基防滲效果分析，滲流水頭幾乎全部由主防滲墻承擔(dān)(消減了近95%的全部水頭)，上游面的副防滲墻未見水頭集中消落，其原因在于主防滲墻下連接了帷幕灌漿，而副防滲墻下沒有帷幕灌漿，滲漏水依然通過副防滲墻下部基巖流入兩道防滲墻之間.當(dāng)滲流場處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，副防滲墻上、下游面的水頭值基本相當(dāng)，因此副防滲墻沒有表現(xiàn)出明顯的防滲效果.

圖3 方案1和方案2自由面等水頭線分布

圖4 方案1和方案2中心剖面等水頭線分布

(3)壩基無防滲措施滲流場特性：方案2(見圖4)用于分析壩基沒有采用任何防滲措施情況下，壩體及壩基的滲流特性，以同設(shè)防滲措施情況進(jìn)行對比.該工程壩基的滲透特性比較單一，均為強(qiáng)透水性覆蓋層，滲透系數(shù)在1.0×10-1～7.5×10-2cm/s，壩基中的等水頭線根據(jù)各區(qū)材料的相對滲透性，分散分布在整個(gè)壩基中，且消散較慢.由于強(qiáng)透水性壩基的滲透水流抬高了心墻下游面的浸潤線，下游堆石體內(nèi)的浸潤線比方案3(見圖5)高出約40 m，由于堆石體和石渣壓重排水較快，下游逸出點(diǎn)與下游水位齊平，沒有出現(xiàn)滲流逸出區(qū).在壩基無防滲措施情況下，壩體心墻的防滲作用也有受到影響，心墻的防滲作用也大大消弱，消減水頭較方案1減少近30 m.根據(jù)滲透比降分布情況，心墻下方覆蓋層滲透比降均大于允許值，最大值達(dá)到6.0，下游逸出點(diǎn)的最大滲透比降為0.4，因此壩體及壩基的整體滲透穩(wěn)定性受到嚴(yán)重威脅，必須采取合理的滲控措施確保大壩安全.

(4)有防滲墻和防滲帷幕的壩基滲流場特性：方案3中僅采用了一道主防滲墻和帷幕灌漿聯(lián)合防滲，較方案1，覆蓋層中的全部等水頭線同樣集中消減在防滲墻內(nèi)，兩個(gè)方案的滲流場分布幾乎完全相同，僅1號等水頭線的位置和走勢略有差別，方案1是消減在副防滲墻內(nèi).由此也可以看出，副防滲墻的并沒有起到工程意義上顯著的防滲作用，但若主防滲墻發(fā)生局部損壞，副防滲墻將替代主防滲墻起主要防滲作用，其設(shè)置可以提高壩基防滲措施的可靠性.方案4(見圖6)中考慮兩道混凝土防滲墻，基巖中沒有設(shè)置防滲帷幕.同方案1滲流場分布明顯不同，由于基巖中水流沒受到防滲帷幕阻擋，兩道防滲墻底部滲透流速基本相同，上下游水頭由兩道防滲墻共同承擔(dān)，其中上游面副防滲墻消減水頭70 m，占總滲透水頭的42%；下游面主防滲墻消減水頭60 m，占總滲透水頭的36%，消減水頭基本相當(dāng).由此可以看出，基巖帷幕灌漿失效時(shí)，主、副防滲墻將共同承擔(dān)壩基防滲作用.

圖5 方案3中心剖面等水頭線分布

圖6 方案4中心剖面等水頭線分布

3 結(jié) 論

通過對深覆蓋層上土質(zhì)心墻堆石壩的三維穩(wěn)定滲流場有限元仿真計(jì)算，分析其滲流場分布規(guī)律及滲流特性，研究多方案防滲措施的防滲作用，推薦“兩道封閉式防滲墻+灌漿防滲帷幕”是深厚覆蓋層土石壩工程中即安全又可靠的防滲措施，可為同類工程提供借鑒與參考，主要結(jié)論如下：(1)工程區(qū)滲流場具有典型三維滲流特性，等水頭線分布明顯不均，存在壩肩繞滲現(xiàn)象，因左岸存在支流，繞壩滲流兩岸不對稱，應(yīng)加強(qiáng)支流側(cè)壩肩帷幕灌漿設(shè)計(jì)，提高防滲帷幕的安全可靠性；(2)壩體防滲心墻底部滲透比降消減急劇，有必要采取擴(kuò)大底部接觸范圍和底部鋪設(shè)高塑性粘土的措施，同時(shí)在底部和下游面設(shè)置反濾層保護(hù)滲流出口，有利于提高心墻底部抗?jié)B透變形破壞(接觸沖刷)的能力；(3)深厚覆蓋層壩基滲透系數(shù)大、允許滲透比降小，有必要采用封閉式混凝土防滲墻，結(jié)合帷幕灌漿的防滲措施，提高防滲效果，同時(shí)設(shè)置副防滲墻，為主防滲墻或防滲帷幕起到備用防滲作用，能有效提高壩基防滲措施的安全可靠性.

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On Seepage Characteristics of High Core Wall Rock-fill Dam on Deep Overburden Foundation

TANG Yu-lian1, DING Bing-yong2

(1.Zhejiang Water Conservancy and Hydropower Technology Consulting Center, Hangzhou 310020, China;2.Powerchina Huadong Engineering Co., Ltd., Hangzhou 311122, China)

In view of the construction of high core wall rock-fill dam on deep overburden, the seepage field formed by high head seepage pressure in the dam body, core wall, overburden layer, valley foundation and dam abutment rock is extremely complex. Taking Pubugou Hydropower Station for example, the field simulation of three-dimensional steady seepage field for soil core wall rock-fill dam is analyzed in this paper, focusing on the seepage characteristics of the dam body, the deep overburden and the seepage field, and 4 anti-seepage programs with multi measures are compared and analyzed, which is proved to be safe and practical in the construction of deep overburden rock-fill dam.

deep overburden; core wall rock-fill dam; seepage characteristic; cutoff wall

TV543+.8

A

1008-536X(2017)03-0012-04

2016-12-10

唐瑜蓮(1984-)，女，四川資中人，碩士，工程師，主要從事水利水電工程技術(shù)咨詢工作.