潘英杰，徐建軍，謝興華，盧 斌*，張 宇，謝東誼

(1.深圳市東江水源工程管理處，廣東 深圳 518036；2.深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，廣東 深圳 518001；3.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；4.山東省沂源縣自然資源局，山東 淄博 256100)

滲流是壩工建設(shè)中一直注重的重要問題之一，水庫(kù)滲漏不僅會(huì)影響運(yùn)行效益，引起庫(kù)區(qū)浸沒等環(huán)境問題，還會(huì)給壩體與庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定帶來風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致潰壩。因此，采取適當(dāng)、有效的滲控措施對(duì)于大壩安全運(yùn)行至關(guān)重要[1-3]。

在混凝土壩壩基中，為了有效地降低滲流量和揚(yáng)壓力，采用帷幕灌漿與排水孔幕結(jié)合的措施是工程中常采用的方法[4-7]，同時(shí)針對(duì)不同透水性的基礎(chǔ)，帷幕深度和排水布置需要分別對(duì)待。通常認(rèn)為，帷幕的主要作用是切斷滲漏通道，減少壩基滲漏量；排水系統(tǒng)的主要作用是快速排出壩基中的裂隙水，降低壩基揚(yáng)壓力[4]。近年來，很多水庫(kù)工程面臨的壩址地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，如存在地質(zhì)斷層、深厚覆蓋層、巖溶等問題，這對(duì)大壩滲控措施提出了更高的要求。滲流模擬是研究水庫(kù)大壩滲控措施的主要方法之一，開展了大量復(fù)雜條件庫(kù)區(qū)滲控評(píng)價(jià)研究[8-9]。如張文兵等[10]采用三維有限元模型研究了巖溶發(fā)育庫(kù)區(qū)防滲系統(tǒng)，王旭輝等[11]通過對(duì)斷層、深部卸荷帶和防排水等結(jié)構(gòu)精細(xì)化模擬，研究了某復(fù)雜地質(zhì)條件下高拱壩的滲流場(chǎng)特性。許增光等[12]采用三維模型反演了含斷層某庫(kù)區(qū)滲透系數(shù)，并對(duì)不同方案防滲效果進(jìn)行了對(duì)比。

本文以水底山水庫(kù)工程為研究對(duì)象，通過精細(xì)刻畫壩址節(jié)理發(fā)育帶、防滲帷幕等結(jié)構(gòu)，建立庫(kù)區(qū)整體三維滲流有限元模型，開展天然滲流場(chǎng)反演與運(yùn)行期滲流場(chǎng)模擬，對(duì)庫(kù)區(qū)防滲效果進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，研究成果可為類似工程滲控設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

水底山水庫(kù)是深汕特別合作區(qū)(以下簡(jiǎn)稱“合作區(qū)”)西部水源及供水工程在建的一座中型水庫(kù)，位于合作區(qū)赤石鎮(zhèn)明熱河源頭以下約8 km處，距離下游大龍?zhí)都s400 m。水庫(kù)總庫(kù)容約為1 929.2萬m3，正常蓄水位140.00 m，相應(yīng)庫(kù)容1 582.5萬m3，工程等別為Ⅲ等。水庫(kù)建成后年可供水量約1 931萬m3，可有效解決合作區(qū)用水供需矛盾，優(yōu)化供水系統(tǒng)布局，對(duì)合作區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

水庫(kù)可研階段推薦壩型為重力壩，壩頂高程為145.00 m，最大壩高69 m，壩頂寬10 m。大壩沿壩軸線長(zhǎng)293 m，設(shè)置14條橫縫，共15個(gè)壩段，其中，1—6號(hào)為左岸擋水壩段，7、8號(hào)壩段為溢流壩段，9—15號(hào)壩段為擋水壩段，單壩段平均長(zhǎng)度19.53 m。

根據(jù)壩址區(qū)勘探鉆孔壓水試驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)入微風(fēng)化巖后，巖體透水率普遍小于3～5 Lu，壩址區(qū)微風(fēng)化巖一般可作為穩(wěn)定的相對(duì)隔水層。結(jié)合地層分布情況，壩址地層滲透性主要分帶如下：地表殘積土和全風(fēng)化巖為弱透水帶，厚度0～8 m；強(qiáng)風(fēng)化巖為中等透水帶，廣泛分布，厚約2～16 m(頂埋深0～20 m)；弱-微風(fēng)化巖主要為弱透水帶，局部存在裂隙發(fā)育帶為中等透水，5～10 Lu帶厚度約2～30 m(頂埋深8～32 m)，5 Lu線埋深約19～48 m。壩軸線剖面地層滲透性分區(qū)見圖1。

圖1 壩軸線剖面滲透性分區(qū)及帷幕灌漿范圍

庫(kù)區(qū)右壩肩山體單薄，巖體風(fēng)化及地下水埋藏較深，存在繞壩滲流風(fēng)險(xiǎn)，易對(duì)右壩肩及右岸下游邊坡的穩(wěn)定性造成不利影響。以正常蓄水位與地下水位相交處作為防滲邊界難以保證防滲邊界封閉，故以進(jìn)入相對(duì)隔水層作為防滲界限。帷幕防滲標(biāo)準(zhǔn)為5 Lu，帷幕底線深入5 Lu線以下不少于5 m(圖1)，左岸及河床部位采用單排布置型式。為加強(qiáng)右壩肩防滲處理，帷幕灌漿線延伸至壩橫0+305.43 m，折向山脊延伸至壩橫0+348.50 m，以延長(zhǎng)滲徑(圖2)，采用雙排三角交叉布置型式，間距為2 m。

2 滲流模擬原理

根據(jù)Darcy定律和水流連續(xù)性方程，庫(kù)區(qū)穩(wěn)定滲流微分方程為[1-2]：

(1)

須滿足：

無線數(shù)據(jù)傳輸由于其范圍廣，傳輸穩(wěn)定等特點(diǎn)，完全可應(yīng)用于海線管理中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而在發(fā)生事故的第一時(shí)間作出處理方案。此類系統(tǒng)采用了大規(guī)模集成電路技術(shù)、DSP技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、抗干擾技術(shù)等，在線路的設(shè)計(jì)與器件選擇中以較大的環(huán)境適應(yīng)性為依據(jù)，確保了設(shè)備的運(yùn)行可靠。

(2)

方程求解采用FEFLOW專業(yè)地下水模擬軟件，其基于伽遼金有限單元法廣泛用于解決穩(wěn)定和非穩(wěn)定滲流、飽和與非飽和滲流、變密度流、化學(xué)物質(zhì)遷移及熱傳遞等問題[13]。

3 天然滲流場(chǎng)反演分析

3.1 模型建模

庫(kù)區(qū)整體滲流模擬平面范圍為750 m×750 m矩形區(qū)域，見圖2，庫(kù)區(qū)將正常蓄水位線包括在內(nèi)，西南側(cè)邊界距右壩肩距離(沿壩軸線方向)約為200 m，東南側(cè)邊界距壩腳約320 m(沿垂直壩軸線方向)。

圖2 帷幕灌漿及節(jié)理破碎帶分布平面

天然工況模型采用四面體單元?jiǎng)澐?，單元總?shù)為1 878 283，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為334 511。由于壩址位置節(jié)理發(fā)育帶對(duì)壩基滲流影響較大，因此在模型中將節(jié)理發(fā)育帶概化為獨(dú)立的連續(xù)介質(zhì)材料分區(qū)，天然工況模型節(jié)理發(fā)育帶單元數(shù)為11 588。模型地層按照地勘資料劃分為6層，自上至下依次為殘坡積土層、強(qiáng)(全)風(fēng)化層、弱風(fēng)化上帶、弱風(fēng)化下帶、微風(fēng)化層(>5 Lu)以及微風(fēng)化層(<5 Lu)。其中，微風(fēng)化層根據(jù)設(shè)計(jì)推薦5 Lu線劃分為大于5 Lu和小于5 Lu兩部分。

3.2 邊界條件與初始值

反演分析模型巖土層材料滲透系數(shù)的初始值，按照地勘壓水試驗(yàn)實(shí)測(cè)平均值設(shè)定，壓水試驗(yàn)鉆孔平面位置見圖2，鉆孔主要布置在壩址及其上游附近。殘坡積土層、強(qiáng)(全)風(fēng)化層、弱風(fēng)化上帶、弱風(fēng)化下帶及微風(fēng)化層實(shí)測(cè)平均滲透系數(shù)依次為5.69×10-7、2.40×10-6、5.64×10-7、2.98×10-7、1.63×10-7m/s。

模型山體分水嶺和河道設(shè)定為定水頭邊界，根據(jù)地勘資料，壩區(qū)左岸地下水埋深為36～ 50 m，右岸魚脊形山體地下水埋深為16.9～ 17.5 m。其他為不透水邊界。

3.3 驗(yàn)證與優(yōu)化方法

模擬主要針對(duì)右壩肩滲漏問題，根據(jù)鉆孔平面分布位置(圖2)，選取2020年4月的一組鉆孔地下水位監(jiān)測(cè)值作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)地下水位值見表1。

表1 地勘實(shí)測(cè)地下水位值 單位：m

采用PEST(Parameter Estimation)參數(shù)優(yōu)化程序?qū)Ω鲙r土層滲透系數(shù)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。PEST是一種基于高斯-麥夸特-列文伯格(Gauss-Marquart-Levenberg)算法，具有快速收斂性的全局搜索非線性參數(shù)優(yōu)化工具，能夠優(yōu)化多維模型參數(shù)[14-15]。

模型中各巖土層等效為各向同性連續(xù)介質(zhì)材料，反演時(shí)根據(jù)地勘壓水試驗(yàn)給定反演滲透系數(shù)初始值及變化范圍(實(shí)測(cè)最大值和最小值見表2)，以監(jiān)測(cè)地下水位作為反演目標(biāo)，通過對(duì)模型參數(shù)不斷進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，進(jìn)而求取目標(biāo)函數(shù)(模型計(jì)算值與實(shí)際觀測(cè)值的差異函數(shù))的最小值。為了評(píng)價(jià)反演結(jié)果的可靠性，參考類似工程，以天然模型地下水位最大高差的±10%作為計(jì)算水位誤差的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。本工程區(qū)地下水位最大高差約為80 m，即認(rèn)為觀測(cè)孔地下水位模擬值與實(shí)測(cè)值絕對(duì)誤差在8 m內(nèi)為可接受范圍。

表2 巖土層滲透系數(shù)優(yōu)化結(jié)果 單位：m/s

3.4 反演結(jié)果分析

觀測(cè)點(diǎn)地下水位模擬值與實(shí)測(cè)值關(guān)系見圖3，圖中灰色條帶為地下水位最大高差±10%誤差區(qū)間。由圖可見，觀測(cè)點(diǎn)反演地下水位絕對(duì)誤差最大值為10.54 m(Z11)，其余觀測(cè)點(diǎn)反演地下水位絕對(duì)誤差均在8 m以內(nèi)。因此，認(rèn)為在假設(shè)同分層滲透系數(shù)相同的條件下，該反演優(yōu)化結(jié)果總體上是可接受的。

圖3 觀測(cè)點(diǎn)地下水位反演值與實(shí)測(cè)值關(guān)系

庫(kù)區(qū)各巖土分層滲透系數(shù)優(yōu)化結(jié)果見表2，由表可見，巖土層滲透系數(shù)反演結(jié)果與地勘壓水試驗(yàn)結(jié)果基本一致。其中，殘坡積土層、弱風(fēng)化上帶和弱風(fēng)化下帶反演值接近于地勘實(shí)測(cè)最大值，強(qiáng)(全)風(fēng)化層反演值接近于實(shí)測(cè)平均值。

4 運(yùn)行期滲控分析

4.1 模型及工況

水庫(kù)建成后庫(kù)區(qū)滲流場(chǎng)模擬范圍與天然工況相同，整體三維幾何模型和網(wǎng)格見圖4a，模型采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，按照設(shè)計(jì)資料對(duì)防滲帷幕和節(jié)理發(fā)育帶等部位進(jìn)行細(xì)致刻畫。模型四面體單元總數(shù)為2 570 301，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為451 859。其中，壩體單元數(shù)為67 916，防滲帷幕單元數(shù)為85 082，節(jié)理發(fā)育帶單元數(shù)為31 126，壩體與防滲帷幕網(wǎng)格見圖4b，防滲帷幕與節(jié)理發(fā)育帶網(wǎng)格見圖4c。各巖土層滲透系數(shù)采用表2中的反演值。

a)整體模型及高程

運(yùn)行期滲流模型邊界條件主要包括：模型切取邊界、上下游水位邊界、排水邊界等，具體設(shè)定如下：模型山體分水嶺、上游庫(kù)區(qū)和下游河道設(shè)定為定水頭邊界。模擬正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位3種運(yùn)行工況的穩(wěn)定滲流場(chǎng)，各工況上下游水位值見表3。

表3 模擬工況與水位 單位：m

混凝土壩體設(shè)置排水廊道，廊道內(nèi)布置排水孔，壩體排水孔設(shè)置為排水邊界，模型中采用排水幕模擬排水效果。其他為不透水邊界。

4.2 滲流場(chǎng)分布

水庫(kù)正常蓄水位工況135.00、115.00 m高程平切面等水位線分布分別見圖5，由圖可見，兩側(cè)山體和庫(kù)內(nèi)向下游河道補(bǔ)給地下水，壩體和防滲帷幕部位等水位線分布較集中，符合庫(kù)區(qū)滲流場(chǎng)分布的一般規(guī)律。右壩肩灌漿帷幕折向山脊，延長(zhǎng)了滲徑，影響壩肩繞滲，等水位線向上游凸出，表明帷幕灌漿對(duì)右壩肩局部滲透性較大的節(jié)理發(fā)育帶形成了防護(hù)。

a)135 m高程平切面

b)115 m高程平切面

為了更直觀地展示防滲帷幕對(duì)右壩肩節(jié)理發(fā)育帶的防滲作用，圖6中對(duì)比了右壩肩I-I剖面(剖面位置見圖2)有、無防滲帷幕情況下地下水等水位線分布情況。由圖可見，未實(shí)施防滲帷幕時(shí)(圖6a)，由于節(jié)理發(fā)育帶滲透性強(qiáng)于周圍巖體，造成節(jié)理發(fā)育帶上游側(cè)地下水位有所抬升。采取帷幕灌漿處理后(圖6b)，帷幕阻止了局部滲漏發(fā)展，使得帷幕附近等水頭線分布較密集，降低了局部地下水位，說明防滲帷幕可以有效控制節(jié)理發(fā)育帶局部滲漏。

a)無帷幕灌漿

4.3 滲透坡降

水庫(kù)正常蓄水位工況防滲帷幕滲透坡降分布見圖7，由圖可見，帷幕頂部滲透坡降值最大，右壩肩帷幕與節(jié)理發(fā)育帶相接部位局部較大。河床部位帷幕滲透坡降最大值為3.89，右壩肩節(jié)理發(fā)育帶附近帷幕滲透坡降最大值約為1.67。參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，防滲帷幕坡降允許值約為30，計(jì)算工況帷幕滲透坡降滿足工程要求。

圖7 正常蓄水位工況防滲帷幕滲透坡降分布

4.4 壩基揚(yáng)壓力

水庫(kù)正常蓄水位工況壩基面揚(yáng)壓力水頭分布見圖8，由圖可見，在帷幕上游側(cè)壩基揚(yáng)壓力較大，在防滲帷幕阻水作用和排水孔幕的降壓共同作用下，經(jīng)過排水孔后，揚(yáng)壓力明顯降低。河床部位上、下游側(cè)揚(yáng)壓力水頭分別為56.4、23.8 m。

圖8 正常蓄水位工況壩基面揚(yáng)壓力水頭分布(m)

4.5 滲流量

選擇帷幕位置斷面計(jì)算滲流量，按照部位劃分為左、右岸壩肩、左、右岸、河床壩基及壩體5段。其中，左、右岸壩肩計(jì)算范圍自壩體兩端沿帷幕軸線向岸坡延伸100 m，右岸按照帷幕彎折方向延伸，壩基按每段約100 m寬度分為3段。

各工況不同部位滲流量統(tǒng)計(jì)于表4中，庫(kù)區(qū)總體滲流量較小，年滲漏量約占總庫(kù)容的0.95%。由于滲流量的大小與上下游水位差關(guān)系密切，本工程中正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位工況上下游水位差依次為54.00、52.96、52.94 m(上、下游水位見表3)。因此，正常蓄水位工況總滲流量最大，為500.858 m3/d，校核洪水位工況總滲流量最小，為469.972 m3/d。從不同分段角度看，右壩肩滲流量較小，約占總滲流量的13.8%，說明帷幕灌漿阻止了右岸節(jié)理發(fā)育帶部分滲漏。

表4 庫(kù)區(qū)各部位滲流量統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

本文基于水底山庫(kù)區(qū)精細(xì)化三維滲流模型，通過天然滲流場(chǎng)參數(shù)反演，優(yōu)化了巖土層滲透系數(shù)，并對(duì)水庫(kù)運(yùn)行期整體滲流場(chǎng)模擬，分析評(píng)價(jià)了庫(kù)區(qū)防滲效果，得出主要結(jié)論如下。

a)觀測(cè)點(diǎn)反演地下水位誤差在合理范圍內(nèi)，滲透系數(shù)反演結(jié)果與地勘壓水試驗(yàn)結(jié)果基本一致，殘坡積土層、弱風(fēng)化上帶和弱風(fēng)化下帶反演值接近于實(shí)測(cè)最大值，強(qiáng)風(fēng)化層反演值接近于實(shí)測(cè)平均值。

b)帷幕灌漿降低了右壩肩局部地下水位，影響壩肩繞滲，說明帷幕在一定程度上阻止了節(jié)理發(fā)育帶滲漏；在防滲帷幕阻水和排水孔幕降壓的聯(lián)合作用下，壩基下游側(cè)揚(yáng)壓力顯著降低；正常蓄水位工況總滲流量為500.858 m3/d，總體滲流量較小，說明本工程防排水體系布置合理，對(duì)右岸節(jié)理發(fā)育帶滲漏形成有效防護(hù)。