陳守開(kāi)，常承艷，郭 磊，薛志龍

(1.華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南鄭州450045；2.河南省水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)院士工作站，河南鄭州450002；3.河南省水環(huán)境模擬與治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州450002)

0 引 言

早期的面板堆石壩受機(jī)械設(shè)備與技術(shù)條件的限制，通常采用拋填堆石、木面板防滲，壩高一般不高。經(jīng)過(guò)150余年的發(fā)展，現(xiàn)代面板堆石壩基本采用碾壓堆石、鋼筋混凝土面板防滲[1]?，F(xiàn)今，隨著大型施工設(shè)備以及薄層碾壓、擠壓邊墻等技術(shù)的應(yīng)用，加之豐富的設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)，混凝土面板堆石壩的應(yīng)用越加廣泛，已經(jīng)成為當(dāng)今水利水電工程建設(shè)的主要壩型之一，特別是我國(guó)高233 m的水布埡大壩的建成和投入運(yùn)行，在面板堆石壩歷史中具有里程碑的意義[2]。

混凝土面板堆石壩是水電站最重要的擋水建筑物，要保證其擋水時(shí)的力學(xué)穩(wěn)定性，控制壩體、壩基的滲流問(wèn)題，即減少滲漏量和保證滲透穩(wěn)定等至關(guān)重要[3]。國(guó)內(nèi)外由于滲流問(wèn)題引起的面板堆石壩失事的常有發(fā)生[4]，如青海溝后水庫(kù)大壩因壩體滲控體系不完善引起潰決，湖南株樹(shù)橋大壩因滲漏問(wèn)題而無(wú)法正常運(yùn)行[5]，巴西坎潑斯諾沃斯面板壩建成因面板局部破壞而影響正常蓄水[6]等。因此，滲流控制不僅是設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，其防滲體系的合理性也是高面板堆石壩工程研究的主要方向，本文依據(jù)改進(jìn)節(jié)點(diǎn)虛流量法，對(duì)修建于深沖積層上的某高面板堆石壩進(jìn)行三維滲流場(chǎng)仿真研究，對(duì)該壩壩區(qū)三維滲流形態(tài)、壩肩繞身以及滲控措施進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，以指導(dǎo)類(lèi)似工程防滲體系的設(shè)計(jì)和施工。

圖2 壩體最大剖面示意(單位：m)

1 計(jì)算理論與方法

根據(jù)廣義達(dá)西定律和水流的連續(xù)性條件，非均質(zhì)各向異性多孔介質(zhì)的穩(wěn)定飽和滲流問(wèn)題的控制方程為

(1)

邊界條件如圖1所示[7]。對(duì)此滲流問(wèn)題，文獻(xiàn)[8]中提出了節(jié)點(diǎn)虛流量法，其有限元基本迭代格式為

[K]{h}={Q}-{Q2}+{ΔQ} (令{ΔQ}=[K2]{h})

(2)

圖1 無(wú)壓穩(wěn)定滲流數(shù)學(xué)模型

式中，[K]、[K2]分別為引入邊界條件后的計(jì)算域全域及虛域分別貢獻(xiàn)的整體滲透矩陣；{h}為未知節(jié)點(diǎn)的水頭列陣；{Q}、{Q2}分別為已知水頭節(jié)點(diǎn)、內(nèi)部源匯項(xiàng)和流量邊界對(duì)計(jì)算域的全域、虛域貢獻(xiàn)的流量列陣。

式(2)的求解關(guān)鍵在于虛域貢獻(xiàn)的整體滲透矩陣，因此為提高計(jì)算精度，采用改進(jìn)后的節(jié)點(diǎn)虛流量法，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[7，9]。

2 高面板堆石壩三維滲流仿真及分析

2.1 工程概況

某面板堆石壩最大壩高147.5 m，大壩最大剖面如圖2所示。大壩地基巖層有壩基沖積層、全風(fēng)化基巖、強(qiáng)風(fēng)化基巖、弱上(>5 lu線)、弱下(3～5 lu線)、弱下(3 lu線以下)和新鮮巖石，巖體滲透性較強(qiáng)且不均勻，最大沖積層厚度約32 m。大壩防滲體系由防浪墻、面板、趾板及接縫止水，以及混凝土防滲墻及灌漿帷幕等組成的封閉系統(tǒng)。該水庫(kù)所處地形輪廓變化復(fù)雜，上下游皆為河道轉(zhuǎn)彎處等滲流分布復(fù)雜區(qū)域，且大壩坐落在深厚沖積層上，滲透性強(qiáng)，為嚴(yán)格保證大壩防滲體系的安全、有效，其壩區(qū)應(yīng)作三維滲流分析。

表1 壩區(qū)各材料滲透系數(shù)取值 cm/s

2.2 計(jì)算條件

依據(jù)本工程面板堆石壩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工特點(diǎn)，網(wǎng)格剖分時(shí)在滲流要素變化幅度較大的滲控措施及其周邊區(qū)域加密處理，在常處于無(wú)水或滲流要素變幅小的壩體堆石體內(nèi)簡(jiǎn)單剖分，從而形成總體疏密有致的、質(zhì)量高的三維滲流場(chǎng)有限元計(jì)算網(wǎng)格。本次計(jì)算模型主要由六面體八結(jié)點(diǎn)等參元構(gòu)成，共有個(gè)83 632單元和89 436個(gè)結(jié)點(diǎn)。

三維計(jì)算模型整體疏密有致，以提高計(jì)算精度和效率。其中基礎(chǔ)部分，嚴(yán)格按3 Lu線以下、3～5 Lu線、5 Lu線以上、強(qiáng)風(fēng)化巖層、全風(fēng)化巖層以及壩基沖積層等分層情況進(jìn)行細(xì)致模擬。兩岸范圍考慮天然地下水的作用，至分水嶺處，左岸邊界為最大斷面以左660 m，右岸邊界為最大斷面以右470 m，基礎(chǔ)邊界為400.00 m標(biāo)高。

計(jì)算在正常蓄水位(上游水位675 m，下游水位552.97 m)條件下，考慮大壩完整的防滲體系，所采取的各種材料的滲透系數(shù)參照水文地質(zhì)資料和參考值，詳見(jiàn)表1。

2.3 結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

仿真計(jì)算結(jié)果如圖3～5和表2所示，其中圖3為壩區(qū)平面水頭分布，圖4為大壩關(guān)鍵部位滲漏量，圖5為大壩最大剖面水頭和滲透梯度等值線。

圖3 壩區(qū)平面水頭分布(單位：m)

圖4 大壩關(guān)鍵部位滲漏量

圖5 壩體最大剖面水頭和滲透梯度等值線(單位：m)

2.3.1 壩區(qū)三維滲流性態(tài)分析

由圖3～5可知，水庫(kù)壩區(qū)三維滲流性態(tài)顯著，壩區(qū)水頭整體由上游到下游逐漸降低，其分布規(guī)律合理，同時(shí)水頭等值線走勢(shì)及密集程度也都能反映出不同區(qū)域的滲透特征，包括壩體與壩基滲流、兩岸壩肩繞滲等現(xiàn)象。

本工程防滲系統(tǒng)能夠形成有效整體，上部的面板、趾板與下部的防滲墻、帷幕能夠有效的阻斷壩體上部滲流，特別是針對(duì)基礎(chǔ)(沖積層)滲漏和壩肩繞滲，設(shè)計(jì)采用的帷幕灌漿防滲方案是合適的。

2.3.2 壩區(qū)滲流場(chǎng)分析

水頭分布方面，整個(gè)等水頭分布都很好的體現(xiàn)出面板堆石壩各滲流控制要素的效果，以及堆石體的滲流過(guò)程。

壩區(qū)滲流量方面，通過(guò)壩區(qū)的總滲流量為141.78 L/s(圖4)，屬于正?？煽胤秶?。但由于本工程壩基河床沖積層較深，壩基成為主要滲漏通道，這是防滲措施要解決的主要問(wèn)題。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，河床底部采用混凝土防滲墻截?cái)嗪哟矝_積層，并在防滲墻底部設(shè)置防滲帷幕并延伸至3 Lu線以下，可以起到很好的截滲效果。

滲透坡降方面，表2為壩體關(guān)鍵部位滲透坡降，均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。壩基沖積層內(nèi)滲透坡降以最大斷面處最大為0.66，小于其允許值0.75。因此壩基沖積層滲流是穩(wěn)定的。

表2 壩體關(guān)鍵部位滲透坡降

3 結(jié) 論

(1)本文采用改進(jìn)節(jié)點(diǎn)虛流量法，對(duì)某深沖積層上高面板堆石壩工程進(jìn)行了三維有限元的仿真計(jì)算與分析，結(jié)果符合壩區(qū)三維滲流場(chǎng)的基本特點(diǎn)和一般規(guī)律。

(2)在正常蓄水位的運(yùn)行條件下，由高面板堆石壩的混凝土面板、趾板與深沖積層壩基防滲墻及防滲帷幕組成的空間封閉防滲體系，其防滲效果明顯。

(3)在本實(shí)例中，由于壩基位于深沖積層上且兩岸壩肩地質(zhì)條件復(fù)雜，大壩總滲漏主要發(fā)生在壩基和兩岸壩肩，因此施工時(shí)應(yīng)確保防滲墻及防滲帷幕的有效性。此外，本工程3～5 Lu線之間巖體滲透性與帷幕極為相近，相對(duì)不透水性較小，帷幕深入此處防滲作用已不明顯，后續(xù)可通過(guò)優(yōu)化分析，考慮設(shè)置較淺的灌漿帷幕。

參考文獻(xiàn)：

[1] 酈能惠. 高混凝土面板堆石壩新技術(shù)[M]. 北京: 中國(guó)水利水電出版社, 2007．

[2] 張家發(fā), 定培中, 張偉, 等. 混凝土面板堆石壩中過(guò)渡區(qū)的滲流控制作用研究[J]. 巖土力學(xué), 2011, 32(12): 3548- 3554．

[3] 楊啟貴, 張家發(fā), 熊澤斌, 等. 水布埡混凝土面板堆石壩的滲流控制體系[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào), 2010, 29(3): 164 -169．

[4] 劉杰, 丁留謙, 繆良娟, 等. 溝后面板砂礫石壩潰壩機(jī)理及經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)[J]. 水利水電技術(shù), 1998(3): 4- 9．

[5] 盛金保, 謝曉華, 李雷.株樹(shù)橋水庫(kù)大壩嚴(yán)重滲漏原因分析[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào), 2003(4): 25- 30．

[6] 徐澤平. 巴西坎潑斯諾沃斯面板堆石壩的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)[J]. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào), 2007(3): 233- 240．

[7] 陳守開(kāi), 嚴(yán) 俊, 李健銘. 面板堆石壩垂直縫破壞下三維滲流場(chǎng)有限元模擬[J]. 巖土力學(xué), 2011, 32(11): 3473- 3478．

[8] 速寶玉, 朱岳明. 不變網(wǎng)格確定滲流自由面的結(jié)點(diǎn)虛流量法[J]. 河海大學(xué)學(xué)報(bào), 1991(5)： 113- 117．

[9] 陳守開(kāi), 劉尚蔚, 郭利霞, 等. 中、 小型土石壩滲流場(chǎng)三維有限元分析方法及應(yīng)用[J]. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 24(4): 612- 621．