王永明 任金明 陳永紅 鐘偉斌 魏 芳

（中國水電顧問集團(tuán) 華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，杭州 310014）

圍堰雖然不是永久工程，但卻是關(guān)系到水利樞紐工程建設(shè)全局的重要的臨時(shí)性建筑物，其布局和施工程序?qū)こ淌┕じ窬制饹Q定作用，并對(duì)工程總進(jìn)度和工程質(zhì)量有重要影響［1].圍堰的滲流控制尤為重要，防滲方案及施工質(zhì)量的好壞直接影響河床建筑物的施工環(huán)境，是工程的關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目.近期施工的西藏某水電站圍堰，上、下游圍堰由于部分防滲墻未入巖及土工膜拉裂而致防滲體封閉不完全，圍堰防滲體系基本施工完成后排水滲流量在1 600m3／h，而雅魯藏布江過流洪水來臨時(shí)，基坑產(chǎn)生大量滲水無法控制而淹沒，造成了重大損失.因此，對(duì)于地質(zhì)條件較為復(fù)雜的圍堰，一方面需對(duì)設(shè)計(jì)狀況下的滲流量以及可能出現(xiàn)的防滲體缺陷情況下有較為準(zhǔn)確的計(jì)算以合理的選定基坑抽排方案及布置抽排設(shè)備；另一方面需通過進(jìn)一步比選并優(yōu)化防滲方案，在保證足夠安全性的前提下節(jié)省投資.

1 工程概況

苗尾水電站［2]位于云南省大理州云龍縣舊州鎮(zhèn)境內(nèi)的瀾滄江河段上，是瀾滄江上游河段一庫七級(jí)開發(fā)方案中的最下游一級(jí)電站，電站開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧灌溉供水.電站施工導(dǎo)流采用全年斷流圍堰、隧洞導(dǎo)流方式，上游圍堰堰頂高程1 360.00m，最大堰高64.00m，堰頂寬10.0m，堰頂軸線長337.60m.堰體1 316.00m高程以上擬采用土工膜心墻防滲，土工膜心墻防滲體高度43.5m，1 316.00m高程以下堰體及基礎(chǔ)擬采用塑性混凝土防滲墻防滲，防滲墻軸線與圍堰軸線重合，墻厚0.8m，上游圍堰典型剖面如圖1所示.

圖1 苗尾上游圍堰典型剖面圖

上游圍堰河床及左岸岸坡堰基為殘坡積碎石土和沖洪積卵礫石，右岸岸坡以基巖為主，松弛拉裂明顯，坡角分布有崩坡積碎石土.上游圍堰軸線處地質(zhì)剖面如圖2所示.

圖2 圍堰軸線地質(zhì)剖面圖

堰肩及堰基防滲擬采用帷幕灌漿的防滲處理方式（堰肩雙排，堰基單排），但具體防滲標(biāo)準(zhǔn)需結(jié)合地基條件和灌漿試驗(yàn)及滲流分析成果確定.

2 滲流計(jì)算模型

2.1 滲流分析方法

計(jì)算采用統(tǒng)一的飽和－非飽和土滲流控制方程［3]

式中，H為總水勢(shì)；h為壓力水頭（飽和區(qū)為正，非飽和區(qū)為負(fù)），ρw為水的密度；g為重力加速度，表示為水土特征曲線斜率的絕對(duì)值.本文不涉及水位驟降等工況，右邊一項(xiàng)取為0.

式中，（k0）i為土體在飽和狀態(tài)下主方向上的滲透系數(shù)；kr為相對(duì)滲透系數(shù)，是壓力水頭的函數(shù).

在計(jì)算上把飽和－非飽和區(qū)作為一整個(gè)滲流場(chǎng)研究不需要進(jìn)行自由面調(diào)整，自由面僅是正、負(fù)壓區(qū)的分界面，避免了飽和滲流計(jì)算中試找自由面的麻煩，可一次性生成固定的滲流場(chǎng)網(wǎng)格而無需增減節(jié)點(diǎn).

計(jì)算采用基于ANSYS熱分析模塊二次開發(fā)的TSPA（Three Dimensional Seepage Analysis）程序，文獻(xiàn)［4]從基本理論、微分方程、初始邊界條件3方面驗(yàn)證了溫度場(chǎng)與滲流場(chǎng)的相似性，證明了熱分析模塊分析滲流場(chǎng)的合理性.計(jì)算程序主要分2層循環(huán)進(jìn)行迭代，第1層為滲流出口位置的迭代，第2層為同一假定出口位置時(shí)模型區(qū)域的水頭分布迭代，若2層迭代均已達(dá)到指定精度則認(rèn)為是真實(shí)的滲流場(chǎng)分布.本文采用工程中廣泛運(yùn)用的GeoStudio SEEP／W進(jìn)行了以下算例的對(duì)比計(jì)算：高20m的均質(zhì)壩，頂寬5m，上下游坡比均為1∶2.5，上游水位16m，下游無水；填料飽和滲透系數(shù)1m／d，孔壓小于－10m時(shí)滲透系數(shù)為10－4m／d，假定期間非飽和滲透系數(shù)按線性變化.兩者計(jì)算所得的浸潤線及等壓線如圖3～4所示.

TSPA程序取單寬壩段計(jì)算，經(jīng)過23次迭代前后兩次最大水頭差0.000 143m，下游逸出點(diǎn)高程為6.5m，流量為2.119m3／d，而SEEP／W 計(jì)算流量為2.123m3／d，兩者誤差僅0.1%.

2.2 邊界條件

分為3類邊界：1）已知水頭邊界：H（x，y，z，t）｜Γ1＝φ（x，y，z，t）.計(jì)算時(shí)上游已知水頭邊界按20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)1 357.99m，下游取基坑底高程.2）不透水邊界上游圍堰左岸段相對(duì)隔水層（q＜3Lu）頂板埋深約在60～100m，近河床段分布高程較低；河床段相對(duì)隔水層（q＜3Lu）頂板埋深約在40～60m；右岸段相對(duì)隔水層（q＜3Lu）頂板埋深約在45～110m，往山頂方向埋深逐漸變深，分布高程逐漸變高.3）可能逸出邊界：H（x，y，z，t）｜Γ3＝Z（x，y）.圍堰背水坡及基坑開挖面高程以上河谷表面為可能出滲邊界.

2.3 計(jì)算參數(shù)

堰體填料均為大粒徑粗粒料，最大粒徑超過1m，因滲透試驗(yàn)存在縮尺效應(yīng)等原因，目前仍難以精確測(cè)定其非飽和滲流參數(shù)，各區(qū)填料參照文獻(xiàn)［5]相關(guān)工程采用如圖5所示的曲線描述非飽和滲透特性，填料本身特性差異主要通過表1飽和滲透參數(shù)體現(xiàn).

圖5 非飽和相對(duì)滲透系數(shù)V－G模型擬合

表1 圍堰主要材料飽和滲透參數(shù)

2.4 有限元計(jì)算網(wǎng)格

在詳細(xì)研究苗尾上游圍堰設(shè)計(jì)情況以及堰址區(qū)水文地質(zhì)資料之后，確定計(jì)算模擬的區(qū)域如下：左岸：從河床中心線往左岸山體約390m；右岸：從河床中心線往右岸山體約365m；上游取至壩軸線上游約260m；下游取至壩軸線下游約350m；模型底高程取至1 177m高程.

1）模擬的主要水工結(jié)構(gòu)包括：堰體結(jié)構(gòu)（堰體填料、塑性混凝土防滲墻、復(fù)合土工膜心墻、混凝土蓋板）、灌漿帷幕等.

2）模擬的地層5個(gè)滲透分區(qū)巖層，分別為：地層1（＜3Lu）、地層2（3～10Lu）、地層3（10～30Lu）、地層4（＞30Lu）.另外還有覆蓋層.網(wǎng)格劃分中共生成89 667個(gè)單元、92 986個(gè)節(jié)點(diǎn).網(wǎng)格中對(duì)堰體分區(qū)和地層結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了較精確的模擬.圖6為苗尾上游圍堰滲流區(qū)域整體網(wǎng)格，圖7為過堰軸線的防滲體的網(wǎng)格圖.

3 滲控組合設(shè)計(jì)方案

滲流計(jì)算著重于為滲控方案設(shè)計(jì)決策提供參考，以滿足在一定安全要求的條件下達(dá)到最高的經(jīng)濟(jì)性.上游圍堰堰基及堰肩巖體風(fēng)化卸荷差異較大，弱風(fēng)化上段垂直埋深10.0～40.0m，受結(jié)構(gòu)面及風(fēng)化卸荷影響，巖體較破碎，滲透性較強(qiáng).3級(jí)以下的中低壩的透水率宜為5～10Lu［6].本圍堰為3級(jí)建筑物，圍堰相對(duì)不透水層埋深較深，帷幕灌漿工程量較大.考慮到圍堰為臨時(shí)工程，施工工期緊，遭遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水的概率較低，且一定量的滲水可采用抽排水措施解決.因此，有必要對(duì)不同部位不同防滲標(biāo)準(zhǔn)的滲流敏感性分析，以追求灌漿標(biāo)準(zhǔn)與抽排滲水量的平衡.滲流計(jì)算方案見表2.

表2 滲流計(jì)算方案

續(xù)表2 滲流計(jì)算方案

按照以下思路來進(jìn)行滲流計(jì)算方案組合：①首先重點(diǎn)分析設(shè)計(jì)滲控方案條件下（灌漿至10Lu線）的滲流場(chǎng)分布、有關(guān)部位的滲透梯度和滲流量的大小.在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行堰基及兩岸的滲控優(yōu)化研究，分析帷幕深度（灌漿至30Lu等工況）對(duì)滲流場(chǎng)的影響等.②進(jìn)行堰體、堰基及兩岸的滲流異常情況分析，包括：設(shè)計(jì)洪水位情況下關(guān)鍵部位的防滲墻開叉、復(fù)合土工膜與防滲墻搭接部位局部拉脫裂縫等工況.

4 三維滲流場(chǎng)分析

4.1 設(shè)計(jì)滲流方案的三維滲流分析

圖8為滲控設(shè)計(jì)工況（方案1）條件下的整體滲流場(chǎng)等勢(shì)線分布圖，圖9為河床剖面的滲流場(chǎng)分布.由圖8～9可見在河床部位，堰體土工膜、防滲墻及其防滲帷幕起到明顯的防滲作用，圍堰地下水自由面在防滲墻前后均有一個(gè)較大的跌幅，大約為56m左右，上游圍堰邊坡逸出點(diǎn)高程在1 297.8m左右.在堰肩部位，水頭下降較為均勻.左岸堰肩下游側(cè)水位為1 330m左右，比上游庫水低28m；右岸堰肩下游側(cè)水位為1 325m左右，比上游庫水低33m.可見，堰體防滲及左、右岸帷幕灌漿的作用是顯著的，它們能有效攔截庫水下滲.

通過上游圍堰復(fù)合土工膜心墻、塑性混凝土防滲墻、兩岸堰肩、堰基帷幕及其以下基巖的總滲流量為14 967.6m3／d.堰體填料滲透坡降較小，均在0.1以下，堰基覆蓋層滲透坡降值均在0.25以下，壩基各巖層（地層1～地層4）的滲透梯度均在2.0以下.但堰體邊坡逸出點(diǎn)滲透坡降較高，達(dá)到0.2，應(yīng)引起注意.上游圍堰防滲墻最大坡降71.16.

4.2 不同帷幕深度條件下的三維滲流對(duì)比分析

防滲帷幕能有效的截?cái)噍^強(qiáng)透水巖層通道，灌漿帷幕的深度不但關(guān)系到工程量的大小，而且與防滲效果密切相關(guān)，本節(jié)通過計(jì)算研究灌漿帷幕分別深入10Lu線、30Lu線及僅堰肩深入30Lu線的防滲效果.計(jì)算成果見表3.

表3 不同帷幕深度計(jì)算成果表

可見，與深入30Lu線相比，帷幕深入10Lu線后，防滲效果有所改善，從滲流量16 056.8m3／d減少到14 967.6m3／d.隨著帷幕深度增加，總的趨勢(shì)是防滲墻后浸潤線降低、等勢(shì)線水頭降低、滲流量減小、出逸位置降低.同時(shí)，防滲體坡降增大，更有效發(fā)揮防滲體的抗?jié)B性能，而與此相反，邊坡出逸點(diǎn)坡降將減小，從0.24減小至0.20，降低了邊坡出逸點(diǎn)處的滲透破壞的可能性.

4.3 滲流異常情況分析

本節(jié)針對(duì)防滲墻和復(fù)合土工膜施工或運(yùn)行過程中可能存在的防滲體缺陷進(jìn)行了滲流異常情況分析.缺陷假設(shè)方式見表4，位置見圖10.其缺陷考慮了復(fù)合土工膜受力狀態(tài)“夾具效應(yīng)”［9－10]，防滲墻施工中可出現(xiàn)的較為極端的狀況.

表4 兩種防身缺陷情況下計(jì)算成果表

圖10 防滲體缺陷位置

兩種不同防滲體缺陷條件下計(jì)算結(jié)果見表4，計(jì)算結(jié)果表明：

1）防滲體缺陷條件下防滲墻下游浸潤線均有不同程度的升高，由圖11可見，防滲墻開叉時(shí)墻后浸潤線較正常工況高出15m，而土工膜接頭處局部拉脫時(shí)則高出22.3m，可見土工膜的失效將較大程度上改變滲流場(chǎng)的形態(tài).

圖11 各種防滲體缺陷條件下浸潤線對(duì)比圖

2）開叉處砂卵石內(nèi)水平滲流集中，比降高達(dá)20以上，對(duì)局部滲透穩(wěn)定不利，但在墻后很快消散.

3）裂縫附近區(qū)域水力坡降很大，會(huì)大于允許滲透坡降，文獻(xiàn)［8]提出滲透坡降臨界區(qū)的概念，該區(qū)域內(nèi)覆蓋層及堰體中的滲透坡降大于允許滲透坡降，該區(qū)的大小反映了裂縫對(duì)堰體水力坡降分布的影響程度及發(fā)生滲透破壞的危險(xiǎn)程度，圖12給出了土工膜裂縫情況下滲透坡降臨界區(qū)域，暫取墻后堰體填料的允許滲透坡降為0.25，由圖可知，其滲透坡降臨界區(qū)域范圍在30m以內(nèi).

圖12 土工膜拉脫裂縫情況下滲透坡降臨界區(qū)

4）開叉時(shí)滲流量比正常工況下增大了30 662 m3／d，而土工膜局部失效時(shí)基坑滲流量劇增，比正常設(shè)計(jì)工況增加了53 738m3／d.

5 結(jié) 論

1）正常工況（設(shè)計(jì)滲控）方案下由塑性混凝土防滲墻、復(fù)合土工膜心墻、灌漿帷幕組成的防滲體系是有效的，基坑總滲流量為14 967.6m3／d，涌水量不是很大，帷幕灌漿至10Lu線是可行的.堰體、堰基各部位滲透坡降均在其允許坡降范圍內(nèi)，僅在上游圍堰邊坡逸出點(diǎn)出坡降較大，在該部位拋填大石塊作為排水棱體后滲透穩(wěn)定性是有保障的.

2）經(jīng)過對(duì)灌漿至10Lu線、灌漿至30Lu線及堰肩灌漿至30Lu線等不同的滲控方案進(jìn)行比較計(jì)算表明，若帷幕只灌漿至30Lu線則滲水量有所增加，較設(shè)計(jì)滲控工況增加1 089m3／d；但若僅對(duì)堰肩灌漿至30Lu，滲流量?jī)H增加605m3／d，灌漿量卻減少近一半，且堰肩遭遇設(shè)計(jì)洪水的概率較低，所以選擇河床堰基灌漿至10Lu線，而兩岸堰肩灌漿至30Lu線是較為經(jīng)濟(jì)合理的防滲方案.

3）若在圍堰施工或運(yùn)行期間出現(xiàn)防滲墻開叉或土工膜與防滲墻接頭的局部拉脫，依據(jù)計(jì)算假定的出現(xiàn)40cm寬的防滲墻開叉、或出現(xiàn)40m長的土工膜裂縫時(shí)滲流量大幅增加，分別增加為45 629.3m3／d，68 706.3m3／d，同時(shí)出現(xiàn)一個(gè)半徑為30m的滲透坡降臨界區(qū)域，且邊坡逸出點(diǎn)滲透坡降也將大幅增加，所以應(yīng)嚴(yán)格控制防滲墻與土工膜的施工質(zhì)量.

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