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.深圳市水務規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，廣東 深圳 518001；3.南京水利科學研究院，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，水庫滲漏不僅會影響運行效益，引起庫區(qū)浸沒等環(huán)境問題，還會給壩體與庫岸邊坡穩(wěn)定帶來風險，嚴重時甚至可能導致潰壩。因此，采取適當、有效的滲控措施對于大壩安全運行至關(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]，同時針對不同透水性的基礎(chǔ)，帷幕深度和排水布置需要分別對待。通常認為，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，降低壩基揚壓力[4]。近年來，很多水庫工程面臨的壩址地質(zhì)條件越來越復雜，如存在地質(zhì)斷層、深厚覆蓋層、巖溶等問題，這對大壩滲控措施提出了更高的要求。滲流模擬是研究水庫大壩滲控措施的主要方法之一，開展了大量復雜條件庫區(qū)滲控評價研究[8-9]。如張文兵等[10]采用三維有限元模型研究了巖溶發(fā)育庫區(qū)防滲系統(tǒng)，王旭輝等[11]通過對斷層、深部卸荷帶和防排水等結(jié)構(gòu)精細化模擬，研究了某復雜地質(zhì)條件下高拱壩的滲流場特性。許增光等[12]采用三維模型反演了含斷層某庫區(qū)滲透系數(shù)，并對不同方案防滲效果進行了對比。

本文以水底山水庫工程為研究對象，通過精細刻畫壩址節(jié)理發(fā)育帶、防滲帷幕等結(jié)構(gòu)，建立庫區(qū)整體三維滲流有限元模型，開展天然滲流場反演與運行期滲流場模擬，對庫區(qū)防滲效果進行分析與評價，研究成果可為類似工程滲控設(shè)計提供參考。

1 工程概況

水底山水庫是深汕特別合作區(qū)(以下簡稱“合作區(qū)”)西部水源及供水工程在建的一座中型水庫，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。水庫總庫容約為1 929.2萬m3，正常蓄水位140.00 m，相應庫容1 582.5萬m3，工程等別為Ⅲ等。水庫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，對合作區(qū)經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

水庫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293 m，設(shè)置14條橫縫，共15個壩段，其中，1—6號為左岸擋水壩段，7、8號壩段為溢流壩段，9—15號壩段為擋水壩段，單壩段平均長度19.53 m。

根據(jù)壩址區(qū)勘探鉆孔壓水試驗資料統(tǒng)計分析，進入微風化巖后，巖體透水率普遍小于3～5 Lu，壩址區(qū)微風化巖一般可作為穩(wěn)定的相對隔水層。結(jié)合地層分布情況，壩址地層滲透性主要分帶如下：地表殘積土和全風化巖為弱透水帶，厚度0～8 m；強風化巖為中等透水帶，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

庫區(qū)右壩肩山體單薄，巖體風化及地下水埋藏較深，存在繞壩滲流風險，易對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，故以進入相對隔水層作為防滲界限。帷幕防滲標準為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，完全可應用于海線管理中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，從而在發(fā)生事故的第一時間作出處理方案。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)絡數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、抗干擾技術(shù)等，在線路的設(shè)計與器件選擇中以較大的環(huán)境適應性為依據(jù)，確保了設(shè)備的運行可靠。

(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、化學物質(zhì)遷移及熱傳遞等問題[13]。

3 天然滲流場反演分析

3.1 模型建模

庫區(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劃分，單元總數(shù)為1 878 283，節(jié)點總數(shù)為334 511。由于壩址位置節(jié)理發(fā)育帶對壩基滲流影響較大，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(全)風化層、弱風化上帶、弱風化下帶、微風化層(>5 Lu)以及微風化層(<5 Lu)。其中，微風化層根據(jù)設(shè)計推薦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，按照地勘壓水試驗實測平均值設(shè)定，壓水試驗鉆孔平面位置見圖2，鉆孔主要布置在壩址及其上游附近。殘坡積土層、強(全)風化層、弱風化上帶、弱風化下帶及微風化層實測平均滲透系數(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 驗證與優(yōu)化方法

模擬主要針對右壩肩滲漏問題，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)測值作為驗證數(shù)據(jù)，實測地下水位值見表1。

表1 地勘實測地下水位值 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，反演時根據(jù)地勘壓水試驗給定反演滲透系數(shù)初始值及變化范圍(實測最大值和最小值見表2)，以監(jiān)測地下水位作為反演目標，通過對模型參數(shù)不斷進行優(yōu)化調(diào)整，進而求取目標函數(shù)(模型計算值與實際觀測值的差異函數(shù))的最小值。為了評價反演結(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%作為計算水位誤差的評判標準。本工程區(qū)地下水位最大高差約為80 m，即認為觀測孔地下水位模擬值與實測值絕對誤差在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

觀測點地下水位模擬值與實測值關(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，觀測點反演地下水位絕對誤差最大值為10.54 m(Z11)，其余觀測點反演地下水位絕對誤差均在8 m以內(nèi)。因此，認為在假設(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 觀測點地下水位反演值與實測值關(guān)系

庫區(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)果與地勘壓水試驗結(jié)果基本一致。其中，殘坡積土層、弱風化上帶和弱風化下帶反演值接近于地勘實測最大值，強(全)風化層反演值接近于實測平均值。

4 運行期滲控分析

4.1 模型及工況

水庫建成后庫區(qū)滲流場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)計資料對防滲帷幕和節(jié)理發(fā)育帶等部位進行細致刻畫。模型四面體單元總數(shù)為2 570 301，節(jié)點總數(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)計洪水位和校核洪水位3種運行工況的穩(wěn)定滲流場，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 滲流場分布

水庫正常蓄水位工況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)山體和庫內(nèi)向下游河道補給地下水，壩體和防滲帷幕部位等水位線分布較集中，符合庫區(qū)滲流場分布的一般規(guī)律。右壩肩灌漿帷幕折向山脊，延長了滲徑，影響壩肩繞滲，等水位線向上游凸出，表明帷幕灌漿對右壩肩局部滲透性較大的節(jié)理發(fā)育帶形成了防護。

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右壩肩節(jié)理發(fā)育帶的防滲作用，圖6中對比了右壩肩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，未實施防滲帷幕時(圖6a)，由于節(jié)理發(fā)育帶滲透性強于周圍巖體，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，防滲帷幕坡降允許值約為30，計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 壩基揚壓力

水庫正常蓄水位工況壩基面揚壓力水頭分布見圖8，由圖可見，在帷幕上游側(cè)壩基揚壓力較大，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，揚壓力明顯降低。河床部位上、下游側(cè)揚壓力水頭分別為56.4、23.8 m。

圖8 正常蓄水位工況壩基面揚壓力水頭分布(m)

4.5 滲流量

選擇帷幕位置斷面計算滲流量，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)計于表4中，庫區(qū)總體滲流量較小，年滲漏量約占總庫容的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 庫區(qū)各部位滲流量統(tǒng)計

5 結(jié)論

本文基于水底山庫區(qū)精細化三維滲流模型，通過天然滲流場參數(shù)反演，優(yōu)化了巖土層滲透系數(shù)，并對水庫運行期整體滲流場模擬，分析評價了庫區(qū)防滲效果，得出主要結(jié)論如下。

a)觀測點反演地下水位誤差在合理范圍內(nèi)，滲透系數(shù)反演結(jié)果與地勘壓水試驗結(jié)果基本一致，殘坡積土層、弱風化上帶和弱風化下帶反演值接近于實測最大值，強風化層反演值接近于實測平均值。

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，對右岸節(jié)理發(fā)育帶滲漏形成有效防護。