陳潔宇

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 昌吉 831100)

阻滲帷幕對(duì)壩基漏滲及揚(yáng)壓力狀態(tài)具有控制作用，如果阻滲帷幕存在嚴(yán)重設(shè)計(jì)缺陷，會(huì)直接導(dǎo)致壩體漏滲量控制狀態(tài)發(fā)生問題。本研究參考工程案例實(shí)用數(shù)據(jù)，借助工程專業(yè)有限元Geostudio模擬系統(tǒng)，以數(shù)理模擬計(jì)算分析的方式，對(duì)壩基透滲常數(shù)和阻滲深度帷幕實(shí)施敏感性分析，探討帷幕透滲常數(shù)及不同深度帷幕對(duì)壩基漏滲與揚(yáng)壓力的影響，以期為同類壩體深度帷幕工程應(yīng)用提供研究和技術(shù)參考，助力建設(shè)安全適用的壩體帷幕工程。

1 案例工程概況

案例水庫(kù)竣工于上世紀(jì)70年代，水庫(kù)位處某市的縱化區(qū)東北部，壩址坐落于汾田水下游，壩址以上總干流長(zhǎng)度約21 km，是一座具有灌溉、防洪和發(fā)電功能的中型水庫(kù)。案例水庫(kù)主壩上下游視圖見圖1和圖2。

圖1 案例水庫(kù)主壩上游視圖

圖2 案例水庫(kù)主壩下游視圖

水庫(kù)集雨面積92.3 km2，總庫(kù)容9 097×104m3，發(fā)電總裝機(jī)容量8 800 kW。樞紐工程一般由輸水隧道和壩體等主要建筑物組成,壩體建筑物等級(jí)3級(jí)，100年一遇的設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)，核校洪水1 000年一遇標(biāo)準(zhǔn)。壩體為漿砌石重力壩類型，最大壩高61.3 m，壩長(zhǎng)181.9 m。案例水庫(kù)配合流溪河水庫(kù)，合計(jì)灌溉農(nóng)田達(dá)3.333 3×104hm2，保衛(wèi)43萬(wàn)人口和下游4.6×104hm2土地的安全。

案例水庫(kù)漿砌石重力壩系較為典型的以漿砌石為材料建成的中高重力壩。當(dāng)時(shí)，漿砌石高重力壩尚處在初步進(jìn)展階段，受工藝、材料、技術(shù)水平以及施工管理等條件的制約，該工程存在著一定缺陷。水利部門一直關(guān)注案例壩體的安全性，并長(zhǎng)期實(shí)施了安全管理和監(jiān)測(cè)。投入運(yùn)行后，設(shè)有壩基漏滲、壩身、降雨量及庫(kù)水位等人工觀測(cè)項(xiàng)目，后來(lái)又增設(shè)了人工觀測(cè)壩頂垂向移位及水平移位項(xiàng)目?，F(xiàn)已建立專業(yè)的案例水庫(kù)壩體安全管理與監(jiān)控系統(tǒng)，除了將漏滲量、降雨量及庫(kù)水位觀測(cè)改造為智能自動(dòng)遙測(cè)外，還增設(shè)了倒垂線壩基水平移位、壩基揚(yáng)壓力、構(gòu)造縫、靜力水準(zhǔn)垂向移位、大氣溫度、基巖與壩身溫度等自動(dòng)化監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。整個(gè)監(jiān)測(cè)作業(yè)由案例水庫(kù)的職能管理部門負(fù)責(zé)實(shí)施。

運(yùn)行后不久，案例水庫(kù)壩體就發(fā)生較明顯的漏滲，壩體的漏滲經(jīng)多次局部灌漿治理后有所降低，但仍然反復(fù)多次再度發(fā)生漏滲，灌漿治理效果不夠理想。2005年6月，水位自165 m驟升至174 m后，漏滲量亦隨之劇增，較大漏滲量在壩身及壩基均有岀現(xiàn)，壩身及壩基最大總漏滲量達(dá)1 606.89 m3/d。其中，有1 295.54 m3/d屬于壩基的漏滲量，311.35 m3/d屬于壩身的漏滲量，而此前僅為1 025.14 m3/d的最大總漏滲量。庫(kù)水位此時(shí)為174.35 m，仍然較175.01 m正常蓄水線要小。黃色偏紅的凝膠狀物出現(xiàn)在基巖排水孔處，白色結(jié)晶狀析出物在廊道內(nèi)壁多處可見，現(xiàn)場(chǎng)廊道檢査發(fā)現(xiàn)分縫處滲水較多，且部分孔位的揚(yáng)壓力攀升明顯。壩體此時(shí)已運(yùn)行29年，對(duì)揚(yáng)壓力突然顯著攀升及發(fā)生漏滲現(xiàn)象的原因當(dāng)時(shí)存在多種技術(shù)觀點(diǎn)，一直沒有形成各方統(tǒng)一認(rèn)同的意見。2007年，案例水庫(kù)進(jìn)行了壩體安全鑒定。2008年，項(xiàng)目組提出揚(yáng)壓力偏高和漏滲的解析，結(jié)合分析結(jié)果，管理單位采取了對(duì)應(yīng)處理加固措施。實(shí)施整固措施以后，治理效果明顯。

2 有限元計(jì)算模型的建立

2.1 計(jì)算模型

以工程專業(yè)有限元Geostudio模擬系統(tǒng)創(chuàng)建計(jì)算模型。參考案例水庫(kù)壩址區(qū)滲流場(chǎng)分析研究的需要和巖層水文地質(zhì)特性，以距壩基阻滲帷幕底部約120 m的基礎(chǔ)深度、兩倍壩高的左右岸長(zhǎng)度為范圍區(qū)域創(chuàng)建分析計(jì)算模型。模型模擬了工程區(qū)壩身、巖體、阻滲帷幕等，涉及區(qū)域囊括對(duì)計(jì)算域滲流場(chǎng)存在影響的主要邊界范圍。模型斷面見圖3，有限元模型河床壩段網(wǎng)絡(luò)劃分見圖4，模型網(wǎng)絡(luò)共計(jì)6 212個(gè)節(jié)點(diǎn)，6 047個(gè)單元。

圖3 模型斷面圖(單位：m)

圖4 滲流有限元模型河床壩段網(wǎng)絡(luò)劃分圖

2.2 計(jì)算參數(shù)

取帷幕寬度為3.5 m。結(jié)合原設(shè)計(jì)資料，依據(jù)案例工程巖土勘察報(bào)告確定計(jì)算參數(shù)取值，壩基、壩身和阻滲帷幕透滲常數(shù)見表1。

表1 壩基、壩身和阻滲帷幕透滲常數(shù)

2.3 邊界條件

重力壩基礎(chǔ)底面和上下游基礎(chǔ)垂向斷面均為不透水面；重力壩下游河床水位以下壩體表面及上游水體庫(kù)水位以下壩體表面為水頭已知邊界；水位以上重力壩下游壩身表面為滲流可能逸出面；上游水位正常蓄水工況時(shí)取175.01 m，相應(yīng)下游為無(wú)水。

表2 阻滲深度帷幕對(duì)漏滲和揚(yáng)壓力的影響分析工況

2.4 計(jì)算工況

阻滲深度帷幕范圍通常取為0.3～0.7倍的水頭高程，本案例工程壩身上游水體頭正常蓄水線工況時(shí)為58.6 m，阻滲帷幕分析深度0～50 m，17～41 m是深度帷幕范圍，每工況間隔5 m，取不同深度帷幕對(duì)揚(yáng)壓力和壩基漏滲的影響實(shí)施分析，阻滲深度帷幕對(duì)漏滲和揚(yáng)壓力的影響分析工況見表2。

選用正常蓄水線工況作為阻滲帷幕透滲常數(shù)的影響計(jì)算工況。除了透滲常數(shù)，其他參數(shù)等同前述模型。工況及對(duì)應(yīng)阻滲帷幕透滲常數(shù)見表3。

表3 工況及對(duì)應(yīng)阻滲帷幕透滲常數(shù)

3 壩基阻滲帷幕有限元模擬計(jì)算分析

3.1 阻滲深度帷幕的影響分析

3.1.1 折減常數(shù)和揚(yáng)壓力基于阻滲深度帷幕的影響分析

基于深度帷幕差異的揚(yáng)壓力曲線狀態(tài)見圖5。隨深度帷幕變化的帷幕后揚(yáng)壓力折減常數(shù)過程曲線見圖6。曲線揭示，隨著阻滲帷幕的加深，壩基揚(yáng)壓力對(duì)應(yīng)伴隨下降。但當(dāng)?shù)竭_(dá)20m壩基深度帷幕后，壩基的揚(yáng)壓力隨著帷幕的加深而下降的趨勢(shì)開始變得不明顯。本壩基工程的阻滲深度帷幕設(shè)計(jì)取20 m，表明深度帷幕的設(shè)計(jì)是適合的。

圖5 基于深度帷幕差異的揚(yáng)壓力曲線狀態(tài)

圖6 隨深度帷幕變化的帷幕后揚(yáng)壓力折減常數(shù)過程曲線

3.1.2 漏滲量基于阻滲深度帷幕的影響分析

不同阻滲深度帷幕條件下的漏滲量見表4?；谏疃柔∧徊町惖膲误w日總漏滲量變化曲線見圖7。表4數(shù)據(jù)和圖7曲線揭示，隨著阻滲帷幕的加深壩體漏滲量對(duì)應(yīng)伴隨下降，但隨著帷幕加深漏滲量的下降，當(dāng)壩基深度帷幕達(dá)20 m后，相應(yīng)的繼續(xù)緩減開始變得不再明顯，顯示深度帷幕值取20 m的設(shè)計(jì)選擇相對(duì)合適。

表4 不同阻滲深度帷幕條件下的漏滲量

續(xù)表4

圖7 基于深度帷幕差異的壩體日總漏滲量變化曲線

3.2 阻滲帷幕透滲常數(shù)的影響分析

3.2.1 揚(yáng)壓力基于阻滲帷幕透滲常數(shù)的影響分析

阻滲帷幕透滲常數(shù)差異影響下的帷幕后揚(yáng)壓力折減常數(shù)關(guān)系曲線見圖8。由圖8可以知道，帷幕在k<5.0×10-7cm/s阻滲帷幕透滲常數(shù)時(shí)，可以發(fā)揮良好的阻滲作用；在k>5.0×10-7cm/s阻滲帷幕透滲常數(shù)時(shí)，隨著透滲常數(shù)的加大，揚(yáng)壓力折減常數(shù)對(duì)應(yīng)變大，壩基揚(yáng)壓力基于阻滲帷幕的調(diào)解作用相對(duì)越來(lái)越弱，顯然對(duì)維持壩身穩(wěn)定狀態(tài)極其不利。

圖8 阻滲帷幕透滲常數(shù)差異影響下的帷幕后揚(yáng)壓力折減常數(shù)關(guān)系曲線

3.2.2 漏滲量基于阻滲帷幕透滲常數(shù)的影響分析

不同阻滲帷幕透滲常數(shù)條件下的漏滲量見表5，基于帷幕透滲常數(shù)差異的壩體日總漏滲量曲線見圖9。從表5數(shù)據(jù)和圖9曲線可以看到，漏滲量在k<5.0×10-7cm/s阻滲帷幕透滲常數(shù)區(qū)間降低顯著，表明帷幕這時(shí)可以發(fā)揮良好的阻滲作用。案例壩基工程采取1.5×10-7cm/s阻滲帷幕透滲常數(shù)，顯然阻滲帷幕透滲常數(shù)的選擇適合工程安全設(shè)計(jì)需求。實(shí)測(cè)漏滲量與計(jì)算漏滲量屬于同一量級(jí)且復(fù)合度良好。

表5 不同阻滲帷幕透滲常數(shù)條件下的漏滲量

圖9 基于帷幕透滲常數(shù)差異的壩體日總漏滲量曲線

4 結(jié) 論

本研究針對(duì)壩基阻滲敏感性基于透滲常數(shù)與阻滲深度帷幕的影響狀態(tài)進(jìn)行了有限元數(shù)理模擬計(jì)算分析。主要結(jié)論如下：

1) 隨著阻滲帷幕的加深壩體漏滲量對(duì)應(yīng)伴隨下降，但隨著帷幕的加深漏滲量的下降，當(dāng)壩基深度帷幕為20 m后，相應(yīng)的繼續(xù)緩減開始變得不再明顯，顯示深度帷幕值取20 m的設(shè)計(jì)選擇相對(duì)合適。

2) 漏滲量在k<5.0×10-7cm/s阻滲帷幕透滲常數(shù)區(qū)間降低顯著，表明帷幕這時(shí)可以發(fā)揮良好的阻滲作用。案例壩基工程采取1.5×10-7cm/s阻滲帷幕透滲常數(shù)，顯然阻滲帷幕透滲常數(shù)的選擇適合工程安全設(shè)計(jì)需求。反之，基礎(chǔ)淺部用固結(jié)灌漿替代帷幕灌漿，因?yàn)榫植孔铦B帷幕沒有做好，案例工程在庫(kù)水位大于166 m后，阻滲帷幕將無(wú)法起到較好的阻滲作用。