劉 陽，毛海濤，侍克斌，王正成

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830052；2.重慶三峽學(xué)院土木工程學(xué)院，重慶404100)

0 引 言

深厚砂卵礫石覆蓋層廣泛分布于中國西南小河道，隨著國家對(duì)中小流域治理力度地加強(qiáng)，大量的水利工程不得不建立在此類地基上[1- 6]。不同于大江大海上重要水利工程的滲流控制措施，小河道開發(fā)時(shí)更加注重經(jīng)濟(jì)、實(shí)用和環(huán)保相結(jié)合的滲流控制方案。據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，小河道深厚砂卵礫石層厚度較大，屬第四紀(jì)松散沉積物，具有結(jié)構(gòu)相對(duì)松散、類型單一、透水性強(qiáng)等特征[7]。目前，壩基常采用的主要滲流控制方案有水平鋪蓋、垂直防滲墻、水平鋪蓋+防滲墻進(jìn)行防滲。但小河道的滲流控制方案如果完全借鑒大江大河上水利工程方案(多為完全封閉式防滲墻)，造價(jià)高、難度大、工期相對(duì)長且環(huán)境負(fù)荷較重；但若不夠重視滲流控制，又達(dá)不到興利的目的，造成水(電)資源的浪費(fèi)。因此，需要系統(tǒng)研究此類地基上滲流控制的優(yōu)選方案。

針對(duì)地質(zhì)條件復(fù)雜，滲漏問題突出的大壩防滲，國內(nèi)外已經(jīng)有大量的研究成果，如鄭華康等[8]研究表明，防滲帷幕能夠有效提高上游側(cè)巖體內(nèi)的地下水位、增加繞壩滲流的滲徑長度、降低揚(yáng)壓力；溫立峰等[9]研究表明，采用懸掛式防滲墻進(jìn)行防滲時(shí)防滲墻深度與覆蓋層厚度之比為0.7左右比較合理、僅僅依靠水平鋪蓋無法有效控制覆蓋層；王大宇等[10]研究表明，土顆粒的級(jí)配、懸掛式防滲墻位置以及土體密實(shí)程度均會(huì)影響懸掛式防滲墻的作用效果；毛海濤等[11-12]研究表明，懸掛式防滲墻能有效控制壩基滲透坡降、遏制滲透破壞，滲流量控制效果隨著防滲墻深度增加愈發(fā)明顯。但上述研究成果均為考慮山區(qū)小河道與壩基的特殊性，考慮的因素往往局限于滲流控制方面。

本文以西南山區(qū)典型小型水電站龍水電站為例，利用有限元軟件建立數(shù)值模型，分別計(jì)算水平鋪蓋、垂直防滲、聯(lián)合防滲的滲流量及出逸坡降等參數(shù)，探討各種防滲方案的控滲效果，以期遴選出適合西南山區(qū)小河道深厚砂卵礫石透水壩基最佳的滲流控制方案。

1 數(shù)值模型

1.1 穩(wěn)定滲流場(chǎng)基本方程和定解條件

在穩(wěn)定滲流場(chǎng)中，忽略土與水的壓縮性，則屬于達(dá)西定律的二維非均質(zhì)各向異性土體滲流，其控制方程及邊界條件可表示為

(1)

(2)

式中，h(x,z)為需求的水頭函數(shù)；kx、kz為主軸方向?yàn)檩S的滲透系數(shù)；f1為給定的水頭；f2為給定的流量；Γ1為給定的水頭邊界；Γ2為給定的流量邊界；Γ3為自由面；Γ4為溢出段；n為Γ3及Γ4上的任一點(diǎn)法線方向矢量。

1.2 滲流量的計(jì)算

對(duì)于二維滲流流量地計(jì)算，通過某一單元斷面的滲流量qi表示為

(4)

通過滲流域某一界面的滲流量Q為

(5)

通過上述理論，采用有限元建立滲流計(jì)算模型進(jìn)行分析計(jì)算。

1.3 模型建立

砂卵礫石透水壩基在西南山區(qū)小流域廣泛存在，具有顆粒渾圓，骨架連續(xù)，顆粒間由細(xì)砂填充等特點(diǎn)，不均勻系數(shù)較大，從幾十到數(shù)百不等，局部架空，常常呈管涌或流土破壞[13]。其厚度一般由幾米到幾十米不等，最多可達(dá)50 m[14]。綜合分析西南山區(qū)砂卵礫石壩基的基本特點(diǎn)，遴選出小河道典型具有代表性壩基作為研究對(duì)象，本文以龍水電站壩基為例進(jìn)行分析。

龍水電站位于重慶市巫溪縣，壩基由砂卵礫石組成，覆蓋層厚度達(dá)19.3 m。壩址控制流域面積36.2 km2，主河道長6.89 km，平均比降14.59%?；炷疗鰤K石溢流壩，壩頂高程733.5 m，最大壩高8.85 m，溢流壩段全長30 m，底欄柵壩段長10 m，欄柵左、右側(cè)溢流壩長分別為15.7、4.3 m，大壩正常蓄水位為734 m。壩基為典型的深厚砂卵礫石透水壩基。龍水電站現(xiàn)狀圖及深厚砂卵礫石層剖面如圖1所示。

圖1 龍水電站深厚砂卵礫石層剖面示意

根據(jù)地質(zhì)勘探資料，壩基砂卵礫石物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

擬采用3種方案對(duì)水平鋪蓋、混凝土垂直防滲墻及聯(lián)合防滲各工況進(jìn)行計(jì)算，分別為：①水平鋪蓋，水平鋪蓋長度L=0、10、20、30、40、50、60 m；②垂直防滲墻，防滲墻深度h=0、5、6、7、8、9、10、12.2 m；③聯(lián)合防滲，(0～60 m)水平鋪蓋+(5～10 m)防滲墻。

方案①、②旨在探尋隨水平鋪蓋長度和防滲墻深度變化，滲流場(chǎng)的變化規(guī)律。方案③為探尋水平鋪蓋和垂直防滲墻聯(lián)合防滲對(duì)滲流場(chǎng)的影響。計(jì)算中壩體、混凝土防滲墻、粘土鋪蓋的滲透系數(shù)分別設(shè)定為5×10-7、2.24×10-8、1×10-5m/s。取最大壩寬處為模型計(jì)算剖面，該處滲流量最大，為滲流控制中的最不利剖面。其典型網(wǎng)格剖分如圖2所示。

表1 壩基物理力學(xué)參數(shù)

圖2 龍水電站縱剖面及網(wǎng)格剖分示意

2 計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)上述方案的設(shè)定，分別計(jì)算各種工況下防滲方案對(duì)滲流的影響，圖3為垂直防滲式壩基的滲流情況，基于數(shù)值模型的計(jì)算結(jié)果，將各類方案計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和分析。

圖3 垂直防滲式壩基的滲流網(wǎng)格(單位：m3/s)

2.1 水平鋪蓋與垂直防滲墻對(duì)滲流場(chǎng)影響

依據(jù)設(shè)定的方案，計(jì)算水平鋪蓋和垂直防滲墻各類工況對(duì)滲流參數(shù)的影響。單寬滲流量q計(jì)算結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，q隨著L增加而降低，從最初的0.092 m3/s逐漸穩(wěn)定降低至0.054 m3/s，下降率為41.6%。變化曲線基本呈線性變化，擬合函數(shù)為L=-6.65×10-4q+0.09，擬合度因子R2為0.99，擬合狀況良好。隨著h增加，q由0.092 m3/s開始逐漸降低，當(dāng)h由0增加至10m時(shí)，q下降了38%。當(dāng)h由10 m增加至12.2 m時(shí)，q由0.057 m3/s驟降至0 m3/s，此時(shí)防滲墻由懸掛式防滲墻變?yōu)槿忾]式防滲墻。當(dāng)L=41.67 m時(shí)的壩基滲流量與h=9 m時(shí)相同，為0.062 94 m3/s，此時(shí)L∶h=4.63∶1，即4.63 m水平鋪蓋與1 m防滲墻防滲效果相同。

圖4 單寬滲流量q變化曲線

圖5 q隨L的變化曲線

2.2 水平鋪蓋與聯(lián)合防滲對(duì)滲流場(chǎng)影響

將方案③的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，聯(lián)合防滲與水平鋪蓋對(duì)大壩滲流量的影響對(duì)比如圖5所示。由圖5可見，當(dāng)h相同時(shí)，隨著L增加滲流量呈線性下降。圖中各條線的擬合斜率從上到下分別為-6.633 71×10-4、-5.413 14×10-4、-5.002 86×10-4、-4.618×10-4、-4.201 71×10-4、-3.701 43×10-4、-3.124 57×10-4，逐漸趨于平緩。即，隨防滲墻深度增加，聯(lián)合防滲中的水平鋪蓋長度對(duì)滲流量的影響逐漸降低。

2.3 垂直防滲與聯(lián)合防滲對(duì)滲流場(chǎng)影響

將方案③的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，防滲墻與聯(lián)合防滲對(duì)大壩滲流量的影響如圖6所示。由圖6可得，當(dāng)L一定時(shí)，q隨著h增加逐漸減少。當(dāng)L=0，h由5 m增加到10 m，q降低了28.7%。同樣L分別為10、20、30、40、50、60 m時(shí)，h由5 m增加至10 m，q的下降率分別為27.8%，25.5%，23.5%。其中，聯(lián)合防滲方案中，40 m水平鋪蓋+6 m防滲墻、30 m水平鋪蓋+8 m防滲墻、20 m水平鋪蓋+9 m防滲墻與僅做10 m防滲墻防滲時(shí)q相等。因此，可認(rèn)為10 m防滲墻的防滲效果等同于40 m水平鋪蓋+6 m防滲墻、30 m水平鋪蓋+8 m防滲墻、20 m水平鋪蓋+9 m防滲墻聯(lián)合防滲。

圖6 q隨h的變化曲線

表2 對(duì)比方案

3 滲流控制方案優(yōu)選與討論

3.1 能滿足興利的滲流控制方案

根據(jù)興利要求和滲透穩(wěn)定原則，龍水電站原采用30 m水平鋪蓋進(jìn)行防滲是滿足要求，后因洪水沖毀，失去防滲功能。因此，以30 m水平鋪蓋為基準(zhǔn)，結(jié)合上述分析結(jié)果綜合對(duì)比各方案，遴選出能滿足工程滲流控制要求的方案。

分別計(jì)算下列3種方案：①L=30、40、50、60 m；②h=8、9、10、12、18 m；③10 m水平鋪蓋+(7～10 m)防滲墻，20 m水平鋪蓋+(6～10 m)防滲墻，(30～60 m)水平鋪蓋+(5～10 m)防滲墻。經(jīng)計(jì)算分析可知，30 m水平鋪蓋的防滲效果大致等同于由10 m水平鋪蓋+7 m防滲墻組成的聯(lián)合防滲或8 m垂直防滲墻方案。因此，考慮到洪水易沖毀水平鋪蓋，同等防滲效果下，推薦采用8 m垂直防滲墻或10 m水平鋪蓋+7 m防滲墻組成的聯(lián)合防滲方案。

3.2 防滲方案需要關(guān)注的問題

西南山區(qū)小河道深厚砂卵礫石透水壩基需要著重考慮以下3方面的影響：①山區(qū)小河道汛期洪水頻率高、歷時(shí)短、流速大，破壞力強(qiáng)，對(duì)壩體和壩基表面的防滲設(shè)施威脅較大；②山區(qū)小河道必須確保地下和地表的生態(tài)流量，其中地下潛流肩負(fù)著河道下游地下水生態(tài)的健康發(fā)展；③山區(qū)小河道建壩規(guī)模較小，成本低，防滲方案選擇需經(jīng)濟(jì)適用。

根據(jù)上述原則，結(jié)合文中研究結(jié)果和已有文獻(xiàn)查詢，3類滲流控制方案的對(duì)比如表2所示。

3.3 滲流控制方案的討論

(1)水平鋪蓋需要防護(hù)措施?？蓪⑺戒伾w長度增加至60 m甚至更長，針對(duì)在山區(qū)小流域水平鋪蓋容易被洪水沖毀的特點(diǎn)，應(yīng)該在鋪蓋末端設(shè)置防護(hù)坎，在鋪蓋表面填埋并碾壓糙率較大的粗粒徑砂卵礫石，減小洪水沖刷破壞。這一方案施工簡(jiǎn)單，造價(jià)低。

(2)防滲墻需要較大貫入度。懸掛式防滲墻在控制滲流量方面效果不明顯，但是可以有效降低滲透坡降。防滲墻不易因洪水沖刷損毀，在本例中可選擇8 ～10 m垂直防滲墻進(jìn)行防滲，貫入度應(yīng)在0.5以上，在經(jīng)濟(jì)允許的條件下可將防滲墻貫入度做到0.7，以上保證水電站效益最大化。但不建議采用封閉式防滲墻，因?yàn)樾∷娡捎瞄L距離的引水發(fā)電，攔水壩與發(fā)電房之間往往數(shù)公里甚至更長，其間河道地下水完全被截?cái)啵焕谏鷳B(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

(3)聯(lián)合防滲。10 m垂直防滲墻的防滲效果等同于40 m水平鋪蓋+6 m防滲墻、30 m水平鋪蓋+8 m防滲墻、20 m水平鋪蓋+9 m防滲墻的聯(lián)合防滲效果。采用聯(lián)合防滲造價(jià)比只采用垂直防滲墻更低，防洪效果比水平鋪蓋更好。其中， 40 m水平鋪蓋+6 m防滲墻造價(jià)最低。

綜上所述，在山區(qū)小河道深厚砂卵礫石覆蓋層壩基滲流控制方案中，需要滿足興利、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、施工難度低等要求，綜合對(duì)比不宜選擇全封閉式防滲；僅用水平鋪蓋進(jìn)行滲流控制，需加長鋪蓋長度，且進(jìn)行周期性監(jiān)控，確保水平鋪蓋的防滲效果，即使在洪水作用下部分破壞，也應(yīng)及時(shí)修復(fù)。當(dāng)聯(lián)合防滲方案有多種選擇時(shí)，建議盡可能選擇長水平鋪蓋與短垂直防滲墻的組合。

4 結(jié) 論

本文系統(tǒng)研究了西南山區(qū)典型小河道深厚砂卵礫石地基滲流控制，得到如下結(jié)論：

(1)單位長度垂直防滲大于單位長度水平鋪蓋的滲流控制效果，4.63 m水平鋪蓋長度相當(dāng)于1 m防滲墻。

(2)采用聯(lián)合防滲進(jìn)行隨防滲墻深度增加，聯(lián)合防滲中的水平鋪蓋長度對(duì)滲流量的影響逐漸降低。

(3)當(dāng)聯(lián)合防滲中水平鋪蓋長度超過3倍水頭時(shí)，出逸坡降變化呈均勻下降。

(4)10 m垂直防滲墻的防滲效果等同于40 m水平鋪蓋+6 m防滲墻、30 m水平鋪蓋+8 m防滲墻、20 m水平鋪蓋+9 m防滲墻的聯(lián)合防滲效果。

(5)山區(qū)小河道肩負(fù)著小流域生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展，滲流控制不能見局限于滲流量和滲透坡降等參數(shù)，還應(yīng)將生態(tài)系統(tǒng)的參數(shù)納入進(jìn)來進(jìn)行分析，不建議采用封閉式垂直防滲強(qiáng)。其他防滲方案可根據(jù)工程實(shí)際情況因地制宜地布設(shè)，建議采用聯(lián)合防滲。