鄧?yán)硐耄?吳俊杰， 王 景

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

目前，我國是世界上覆蓋層防滲形式采用防滲墻最多的國家，無論是深度、規(guī)模、材料、速度、工藝等方面都已達(dá)到國際先進(jìn)水平。 然而，覆蓋層上修建水閘的滲流問題是工程安全運(yùn)行最重要的因素之一，如果地基滲流控制不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致閘壩發(fā)生滲流事故和破壞，從而誘發(fā)重大質(zhì)量安全事故[1-4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近40 年，由于深厚覆蓋層上建筑物變形控制不當(dāng)最終使得混凝土防滲墻、 銅止水產(chǎn)生破壞后失事的水閘和大壩， 約占失事工程的25%[5-7]，另據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國外建于軟基及覆蓋層上的水工建筑物， 約有一半事故是由于上述關(guān)鍵部位破壞后，導(dǎo)致壩基逸出點(diǎn)滲透破壞、沉陷太大或滑動(dòng)等問題[8-10]。 本工程在設(shè)計(jì)階段采用混凝土防滲墻進(jìn)行全斷面防滲， 但是防滲墻及連接段銅止水好壞決定了整個(gè)工程能否安全運(yùn)行，因此，評(píng)價(jià)防滲墻及銅止水的有效性對(duì)整個(gè)工程安全運(yùn)行至關(guān)重要[11-15]。

本文采用大型商用軟件ABAQUS， 該軟件被廣泛地認(rèn)為是功能最強(qiáng)的有限元軟件， 其滲流模塊能夠求解多孔介質(zhì)的飽和滲流、 非飽和滲流及二者的混合問題[16，17]。 計(jì)算過程中可以考慮流體重力的作用， 并能夠求解流體總體的孔隙壓力或超孔隙壓力， 滲透定律可采用達(dá)西定律或更廣泛的非線性定律。 為保證工程后期安全運(yùn)行，泄洪沖沙閘防滲墻需要進(jìn)行破壞程度敏感性分析， 根據(jù)以往實(shí)際工程應(yīng)用及工程經(jīng)驗(yàn)， 通過設(shè)計(jì)7 組方案建立的泄洪沖沙閘、連接板、防滲墻、護(hù)坦的三維滲流有限元計(jì)算模型， 當(dāng)防滲墻破損率達(dá)到2%、5%、30%時(shí)，采用等效系數(shù)法控制防滲墻滲透系數(shù)模擬防滲墻破損情況。 同時(shí)，閘井與連接板間銅止水也是本次滲流安全分析所考慮的對(duì)象， 擔(dān)心基礎(chǔ)變形過大有可能破壞銅止水，因此，方案5、方案6、方案7 針對(duì)銅止水破壞后并與防滲系統(tǒng)破壞后組合形成最不利工況， 評(píng)價(jià)壩基滲透穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

ZG 水電站是葉爾羌河干流阿爾塔什以下河段水電規(guī)劃梯級(jí)開發(fā)中的第1 級(jí)電站， 為引水式電站，其上游為阿爾塔什水利樞紐，下游為恰木薩水電站。 ZG 水電站位于新疆喀什地區(qū)莎車縣霍什拉甫鄉(xiāng)境內(nèi)，攔河樞紐距廠房9km，廠房距莎車縣約97km。 目前工程區(qū)右岸沿現(xiàn)有道路可達(dá)莎車縣霍什拉甫鄉(xiāng)， 霍什拉甫鄉(xiāng)現(xiàn)有道路與卡群水電站連接可至莎車縣、澤普縣；工程區(qū)左岸利用甘加特溝道路可達(dá)阿爾塔什進(jìn)場(chǎng)道路，可至莎車縣；左右岸施工對(duì)外交通比較便利。

泄洪沖沙閘共設(shè)20 孔胸墻式水閘，孔口尺寸4.0m×4.0m（寬×高）。壩0+344.88m 至壩0+456.58m段共布置18 孔， 采用三孔一連， 結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為18.6m，共分為6 個(gè)結(jié)構(gòu)段。 壩0+519.20m 至壩0+533.00m 段布置2 孔。閘進(jìn)口底板高程1 595.00m，閘頂高程1 614.30m。 考慮閘門啟閉空間及閘墩頂部交通等因素，閘室長(zhǎng)度取21m，為C25、F300 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底板厚2.0m，中墩厚1.8m，三孔一連閘室邊墩厚1.5m，兩孔一連閘室邊墩厚2.0m，泄洪沖沙閘標(biāo)準(zhǔn)橫剖面圖如圖1 所示。 泄洪沖沙閘防滲系統(tǒng)為防滲墻+連板板+閘室， 防滲墻深度覆蓋層底部入巖1m，具體防滲結(jié)構(gòu)大樣如圖2 所示。

圖1 泄洪沖沙閘標(biāo)準(zhǔn)橫剖面圖

圖2 泄洪沖沙閘防滲系統(tǒng)大樣

1.1 基本地質(zhì)條件

ZG 水電站壩址區(qū)位于西昆侖山東部中低山區(qū)，葉爾羌河由霍斯拉甫大彎曲轉(zhuǎn)為較順直段，流向近北東向。 壩址為寬“U”形河谷，左岸有Ⅰ級(jí)—Ⅳ級(jí)階地分布，Ⅲ級(jí)、Ⅰ級(jí)階地分布不連續(xù)，Ⅱ級(jí)、Ⅳ級(jí)階地分布相對(duì)而言較連續(xù)，總體坡度在30°—35°，地形相對(duì)較緩。右岸為一北東向延伸的基巖山梁，岸坡自然坡度45°—55°。

其河床壩基段位于現(xiàn)代河床，寬約467m，地形平緩， 河床覆蓋層主要由單一成因的沖積砂卵礫石層組成。河床覆蓋層厚9—55m，覆蓋層未發(fā)現(xiàn)連續(xù)砂層分布，由上至下可分為二大層，上層為全新統(tǒng)沖積含漂石砂卵礫石層（Q4al），結(jié)構(gòu)密實(shí)。下層為中更新統(tǒng)沖積砂卵礫石層（Q2al），多具弱-微膠結(jié)，結(jié)構(gòu)密實(shí)。 壩基河床覆蓋層上部為含漂石砂卵礫石層，顆粒粗大，滲透系數(shù)K=6.93×10-2cm/s，下部中更新統(tǒng)沖積砂礫石層厚度9—51m，滲透系數(shù)K=5.0cm/s， 屬強(qiáng)透水層， 故壩基覆蓋層須全斷面防滲。 河床覆蓋層下伏基巖透水率q≤5Lu 界線埋深為基巖面以下5—31m。 壩基主要持力層上部Q4al含漂石砂卵礫石層厚度3.0—18.0m，承載力標(biāo)準(zhǔn)值0.35—0.40MPa，變形模量40—45MPa，其承載力和變形指標(biāo)基本滿足堆石壩要求； 下部Q2al具弱-微膠結(jié)， 承載力標(biāo)準(zhǔn)值0.70—0.80MPa， 變形模量60—70MPa。河床下伏基巖為砂質(zhì)泥巖、泥晶灰?guī)r、灰?guī)r和砂巖，以軟巖為主，結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，強(qiáng)風(fēng)化層厚1.5—2.0m。 下伏基巖透水率q≤5Lu 界線埋深為基巖面以下5—31m。 由于壩基河床覆蓋層深厚，成因單一，但各層厚度變化大，物理力學(xué)性質(zhì)存在一定差異，根據(jù)規(guī)范[17]要求壩基覆蓋層需要進(jìn)行沉降變形驗(yàn)算和連接板與泄洪沖沙閘沉降差符合計(jì)算。

2 有限元計(jì)算

2.1 模型及材料參數(shù)邊界條件

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求[17]水閘地基在各種運(yùn)用情況下均應(yīng)滿足滲透穩(wěn)定的要求。 由于本工程的泄洪沖沙閘位于深厚覆蓋層上， 閘室屬于軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，根據(jù)泄洪沖沙閘結(jié)構(gòu)和覆蓋層等條件，模型向左右岸延伸40m，順河向上、下游延伸至80m，深厚砂礫石覆蓋層55m，向下延伸30m 至基巖層，左右兩側(cè)及底部為為不透水邊界， 在確定上述模型邊界下， 建立本工程泄洪沖沙閘段的三維有限元網(wǎng)格模型， 建立三維滲流有限元網(wǎng)格模型用于滲流計(jì)算分析，采用等效滲透系數(shù)法擬定7 組方案，通過改變各自區(qū)域的滲漏系數(shù)來反應(yīng)防滲墻破損程度。 結(jié)點(diǎn)總數(shù)為20 688 個(gè)，單元總數(shù)為14 887 個(gè)。護(hù)坦結(jié)點(diǎn)總數(shù)為1 806 個(gè)， 單元總數(shù)為1 220 個(gè)，防滲墻結(jié)點(diǎn)總數(shù)為2 184 個(gè)，單元總數(shù)為1 500，以上所有單元類型均為C3D8P 滲流應(yīng)力單元， 有限元網(wǎng)格模型和網(wǎng)格剖分如圖3 所示。

圖3 泄洪沖沙閘段模型的有限元離散圖

根據(jù)規(guī)范要求查的本工程粗細(xì)粒的區(qū)分粒徑df計(jì)算為：

式中：df為粗細(xì)粒的區(qū)分粒徑特征值，d70為小于70%的最大粒徑值，d10為小于10%的最大粒徑值。

查顆粒平均曲線圖得出的pc=24%， 小于25%，壩基砂卵石的滲透破壞形式為管涌型。 覆蓋層臨界水力坡降（Jcr）如下：

式中：Jcr為臨界水力坡降，Gs土粒比重，n孔隙率，d20為小于20%的最大粒徑值，d5為小于5%的最大粒徑值。

分別控制黃原膠添加量0.05%，0.10%，0.15%；CMC添加量為0.05%，0.10%，0.15%；黃原膠：CMC（1∶1） 添加量為0.05%，0.10%，0.15%，研究其對(duì)酸奶凝固性的影響，確定最佳穩(wěn)定劑。

另取樣2 組進(jìn)行室內(nèi)滲透試驗(yàn)， 其臨界坡降為0.12—0.16，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)類比，建議壩基上的允許水力比降為0.1。模型中混凝土、Q4 砂卵礫石層、弱風(fēng)化基巖、微風(fēng)化基巖滲流計(jì)算參數(shù)如表1 所示。

表1 模型材料參數(shù)表

2.2 敏感性分析方案設(shè)置

為保證工程后期安全運(yùn)行， 泄洪沖沙閘防滲墻需要進(jìn)行破壞程度敏感性分析， 根據(jù)以往實(shí)際工程應(yīng)用及工程經(jīng)驗(yàn)， 采用等效系數(shù)法控制防滲墻滲透系數(shù)模擬防滲墻破損情況， 即防滲墻破損2%、5%、30%時(shí)，防滲墻按照5lu、10lu、100lu 控制。

方案1：作為滿足設(shè)計(jì)要求的基本對(duì)照方案。

方案2、方案3、方案4：考慮變形過大或施工質(zhì)量等問題導(dǎo)致混凝土防滲墻不同程度的破壞。

方案5、方案6：考慮銅止水導(dǎo)致混凝土防滲墻不同程度的破壞，制定了單因素影響方案。

方案7：考慮極限破壞工況（防滲墻遭到最大破壞同時(shí)兩道銅止水全破壞），制定方案。

具體敏感性分析方案設(shè)置如表2 所示。

表2 敏感性分析方案

2.3 數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法

本工程砂礫石覆蓋層較厚， 計(jì)算總深度為覆蓋層55m，向下延伸30m 至基巖層，通過計(jì)算7 組方案的三維滲流分析確定防滲墻、 連接板銅止水關(guān)鍵部位如果破壞后， 產(chǎn)生的滲漏問題對(duì)閘室底部覆蓋層浸潤(rùn)線及其下游出逸點(diǎn)的位置及出逸比降的影響。

通過三維穩(wěn)態(tài)滲流公式計(jì)算閘室覆蓋層在正常蓄水位不同敏感性下基礎(chǔ)的滲流穩(wěn)定性， 滲流量、下游出逸點(diǎn)及基礎(chǔ)滲透比降。 當(dāng)不考慮液體與土質(zhì)材料的壓縮性時(shí)， 三維各向異性非均質(zhì)介質(zhì)的穩(wěn)定滲流方程如下式[18]：

在三維滲流場(chǎng)的計(jì)算分析過程中， 主要采用以下三種邊界條件：

（1）初始條件給定，給定水頭Γ1：H=H0；

（2）不透水邊界條件Γ2：?H/?n=0；

（3）出滲面Γ3：H（x，y，z）=z（x，y），?H/?n＞0

式中，n為邊界外法線方向。

3 結(jié)果與討論

計(jì)算結(jié)果見表3 通過分析可知，方案1—方案4 隨著防滲墻破損程度越大，閘室覆蓋層基礎(chǔ)滲漏量不斷加大， 下游逸出點(diǎn)最大水力梯度也有所增大，但當(dāng)防滲墻破損程度等價(jià)到100Lu 時(shí)下游逸出點(diǎn)最大水力梯度0.024，小于允許比降0.1 的要求。

表3 不同方案下大壩滲流量

方案5—方案6 是當(dāng)不考慮防滲墻破損時(shí)，閘室與連接板之間的銅止水逐一破壞時(shí)， 閘室覆蓋層基礎(chǔ)滲漏量不斷加大， 下游逸出點(diǎn)最大水力梯度也有所增大，但當(dāng)兩道銅止水全部破壞后，下游逸出點(diǎn)最大水力梯度0.109，此時(shí)，大于允許比降0.1 的要求。 表明銅止水全部破壞對(duì)閘室的滲透穩(wěn)定性比防滲墻破損要嚴(yán)重。

方案7 為了考慮極端工況， 即由于施工期影響因素或后期基礎(chǔ)沉降大變形影響， 防滲墻與銅止水全部破壞后，此時(shí)，閘室覆蓋層基礎(chǔ)滲漏量劇增是方案1 的174 倍， 下游逸出點(diǎn)最大水力梯度也有所增大為0.119，大于允許比降0.1 的要求。

從計(jì)算成果可知， 本工程防滲墻單獨(dú)破損達(dá)到30%后等價(jià)滲透系數(shù)為100Lu 時(shí)， 閘室滲透穩(wěn)定性不會(huì)受到致命影響。 基礎(chǔ)變形如果過大導(dǎo)致銅止水全部破壞即方案6 時(shí)， 閘室滲透穩(wěn)定性不滿足要求。 當(dāng)遇到極端情況時(shí)即方案7 條件下，由于施工期影響因素或后期基礎(chǔ)沉降大變形影響，防滲墻與銅止水全部破壞后，如圖4 所示，閘室與防滲墻連接部位等水頭等勢(shì)線寬松， 表明漏水量加大； 如圖5 所示， 當(dāng)方案7 極端工況時(shí)防滲墻后、 閘室與防滲墻連接板下孔隙壓力等值線圖壓力增大。 如圖6 所示，當(dāng)方案7 極端工況時(shí)閘室與防滲墻連接部位流速最大， 下游出逸點(diǎn)滲透穩(wěn)定性不滿足要求，因此，閘室防滲系統(tǒng)對(duì)整個(gè)閘室穩(wěn)定性至關(guān)重要。

圖4 方案7 正常蓄水位泄洪沖沙閘基礎(chǔ)水頭等勢(shì)線（單位m）

圖5 方案7 正常蓄水位泄洪沖沙閘基礎(chǔ)孔隙壓力（單位KPa）

圖6 正常蓄水位泄洪沖沙閘基礎(chǔ)流速矢量場(chǎng) （單位m/s）

4 結(jié)論

深厚覆蓋層上防滲系統(tǒng)的安全運(yùn)行對(duì)整個(gè)工程至關(guān)重要，通過建立本工程泄洪沖沙閘、護(hù)坦、連接板、防滲墻的三維模型，通過有限元滲流計(jì)算分析防滲墻擋水性能完整性， 評(píng)價(jià)整個(gè)防滲系統(tǒng)中不同部位破損后對(duì)閘基滲透穩(wěn)定性的影響及關(guān)鍵程度，本次防滲系統(tǒng)中混凝土防滲墻，連接板銅止水的破損程度對(duì)工程整體的防滲效果影響都比較大， 但2 道銅止水的破壞及極限破壞組合對(duì)閘室滲透穩(wěn)定影響最大且不滿足要求，因此，合理控制基礎(chǔ)不均勻沉降， 可減小防滲墻因大變形產(chǎn)生的破壞及銅止水大沉降差， 從而確保工程的安全運(yùn)行，依此，為同類型工程設(shè)計(jì)提供借鑒。 □