孟 源

（山西省水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，太原 030002）

0 引 言

受中國西部省份的自然條件和環(huán)境因素限制，目前眾多的大壩修建于深厚覆蓋層這種特殊地基上，大壩基巖的滲透性和巖土體力學(xué)性質(zhì)對壩體施工和運(yùn)行安全起到非常關(guān)鍵的作用。即便大壩完建，運(yùn)行期水的滲透擾動對基巖體力學(xué)性質(zhì)的改變，也是壩體安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要安全隱患。在壩工界因壩基滲流控制不當(dāng)，安全事故常發(fā)。在水利工程的建設(shè)和安全運(yùn)行中，壩基滲流為有壓滲流，當(dāng)滲透坡降或滲流速度超過某一限值時，大壩壩基和兩岸巖土體將會產(chǎn)生滲透變形，若滲透變形控制不力變形增大至限定值，壩體將出現(xiàn)混凝土裂縫，嚴(yán)重時威脅安全穩(wěn)定性。故不良地質(zhì)條件下修建大壩，其滲漏變形及穩(wěn)定問題壩工設(shè)計(jì)的一大關(guān)鍵技術(shù)問題[1-3]。

在地質(zhì)條件較差且高滲透率的深厚覆蓋層地基上筑壩，防滲體系的建立是重中之重，多種防滲結(jié)構(gòu)的科學(xué)設(shè)置，防滲體與基巖及兩岸巖體等防滲的薄弱環(huán)節(jié)是一關(guān)鍵問題，通常該接觸位置的滲透變形包括防滲體的接觸面剝蝕和沿接觸面的沖刷兩種嚴(yán)重破壞。國內(nèi)多為專家學(xué)者進(jìn)行研究，王啟國對虎跳峽的深厚覆蓋層成因及演化方面深入研究，分析這類地質(zhì)特性。楊天俊等對寶興電站壩的地質(zhì)成因、結(jié)構(gòu)特性、結(jié)構(gòu)類型、厚度變化等進(jìn)行專題研究，總結(jié)出深覆蓋層特殊地質(zhì)方面的共性問題及治理措施[4-6]。白勇等基于有限元法數(shù)值模擬深覆蓋層地基的防滲體系設(shè)立及滲流控制方面研究，對接觸面的沖刷和剝蝕破壞分析研究，從施工技術(shù)和工程造價方面總結(jié)出不同防滲體系下的滲流控制措施。

1 土石壩滲流控制分析

已知土石壩滲流的實(shí)際滲流域，利用有限單元法的代數(shù)方程，根據(jù)變分原理進(jìn)行求解，相關(guān)滲流場解表達(dá)為：

式中：П(h)泛函；Ω1滲流實(shí)域；[k1],{h1}和{Q1}滲流實(shí)域總矩陣、結(jié)點(diǎn)水頭列陣和等效流量列陣。

計(jì)算迭代時，對滲流的虛域、虛單元及過渡單元的虛域消解，最終得到結(jié)果，有限元迭代式為：

式中：[k],{h}和{Q}是計(jì)算域?qū)Ь仃?、結(jié)點(diǎn)水頭列陣、流量列陣；{VQ}=[k2]{h}為結(jié)點(diǎn)虛流量列陣。

確定初始自由面位置，整體迭代過程基于下式：

式中：it迭代步數(shù)。

迭代時若考慮{Q2}it，不同等效流量列陣計(jì)算式如下：

可能滲流逸出面的處理：各向同性土壩的浸潤面內(nèi)飽和區(qū)控制方程為：

H為總水頭。

模型底部和自由面滲流邊界定義為：

N為外邊界外法線方向。

計(jì)算范圍的兩側(cè)邊界水頭為：

浸潤逸出面的水頭條件是：

有限元法的模型基本控制方程是：

通過變分法或加權(quán)殘值法積分方程后分塊離散，可得節(jié)點(diǎn)水頭控制方程，迭代計(jì)算后為滲流自由面。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某水利樞紐由瀝青心墻壩、左岸電站廠房和引水發(fā)電系統(tǒng)組成，主要效能為生態(tài)補(bǔ)水兼顧發(fā)電功能，規(guī)模為Ⅱ等大（2）型工程，攔河壩最大壩高82 m，水庫的總庫容8.67 億m3，正常蓄水位2966m，死水位為2810m。電站的總裝機(jī)容量是100MW，年發(fā)電量有3.26 億kW·h。大壩建于深厚覆蓋層（130 ～150m）上，兩岸基巖為非可溶性巖石，庫岸山體無分水嶺存在，基巖整體較完整，左、右壩肩基巖單位吸水量均值為0.24L/min·m·m、0.13L/min·m·m，屬中～強(qiáng)透水層，透水性差異明顯。

2.2 邊界條件及計(jì)算參數(shù)

本文計(jì)算采用大型工業(yè)有限元計(jì)算軟件ADINA，該軟件模塊中的溫度場和滲流場建模原理相似，建模時替換土體介質(zhì)為溫度場介質(zhì)、土體滲透系數(shù)為熱傳導(dǎo)率、滲流總水頭函數(shù)替換環(huán)境溫度，域內(nèi)熱源密度定義為零，邊界條件為已知水頭和滲透流速。本節(jié)基于ADINA.T 模塊對正常蓄水位的大壩不同垂直防滲體系進(jìn)行二維穩(wěn)定滲流分析。邊界條件：壩體兩岸及基礎(chǔ)不透水邊界，壩體與上、下游面為水頭邊界。Y 軸為順河流方向，從上游指向下游為正；Z 軸為垂直方向，豎直向上為正，模型分別取壩踵向上游和壩址向下游1.5 倍壩高，數(shù)值方向取基巖下82m。壩體及基巖各材料滲透系數(shù)值見表1。

表1 材料滲透系數(shù)表

為了便于滲流分析計(jì)算，在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下對研究模型作了一些假定：

1）假定河床剖面沿壩軸線方向保持不變，計(jì)算結(jié)果中滲漏量不包括繞壩滲漏量。

2）因泄洪洞出口處水位較低，下游水位取壩址處的地下水位2888m，由于大壩蓄水后該水位有所提高，從滲流計(jì)算方面分析，假設(shè)地下水位不提高時，大壩滲漏量和水力坡降都相對抬高大，故假定地下水位不抬高是偏安全的。

3）假設(shè)各種材料的滲透性質(zhì)是各向同性，即kx=ky。

4）典型剖面的壩基復(fù)雜深厚覆蓋層進(jìn)行簡化處理如下。

2.3 計(jì)算方案

針對大壩壩基的特殊深厚復(fù)雜性，根據(jù)工程規(guī)范和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，擬定3 種防滲墻下接防滲帷幕的防滲方案，計(jì)算壩基不同防滲體系的滲流場、滲流量和滲透比降，3 種方案如下：

1）方案 1：80m深防滲墻下接70m的防滲帷幕。

2）方案 2：85m深防滲墻下接65m的防滲帷幕。

3）方案 3：90m深防滲墻下接60m的防滲帷幕。

4）方案 4：100m深防滲墻下接45m的防滲帷幕。

2.4 計(jì)算結(jié)果

從結(jié)果可知，防滲墻下接帷幕方案探入基巖內(nèi)，搭接長度為10m，垂直防滲體系將積砂層和冰磧層滲流隔斷，因防滲帷幕的滲透系數(shù)與瀝青心墻和混凝土防滲墻相差3 個數(shù)量級，從流網(wǎng)圖可看出滲流量基本分布于防滲帷幕位置。各方案的滲流量和滲透比降計(jì)算如表2。

表2 各方案滲流要素對比表

大壩滲漏符合防滲深度增加，滲流量減少的一般規(guī)律，當(dāng)防滲墻達(dá)到一定深度，滲流量降低趨勢趨于恒定，方案三以后的單寬滲流量或滲透比降顯示，大壩滲流控制效果降低。分析主要是防滲墻完全封閉覆蓋層，能有效地阻斷水流影響，與單寬滲流量8.5×10-4m3/s·m 比較，滲流量在設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。因壩基防滲墻基本透過覆蓋層整體，延長滲徑后降低了壩體浸潤線，下游壩面無逸出現(xiàn)象，有效保障壩體下游的邊坡安全，該防滲體系對降低壩體滲透水頭有顯著控制作用。

滲透作用下，機(jī)械力侵蝕和化學(xué)溶蝕影響防滲墻的耐久性，水力梯度變化為根本原因。根據(jù)試驗(yàn)表明，高強(qiáng)混凝土防滲墻的允許水力坡度Jp可達(dá)80 ～100。參考國內(nèi)黃河小浪底混凝土防滲墻設(shè)計(jì)Jp=92。擬定該工程的壩基混凝土防滲墻允許水力坡度Jp=80，上述防滲墻設(shè)計(jì)均滿足要求。

為避免大壩和基巖結(jié)合部位產(chǎn)生集中滲漏或者接觸沖刷，灌漿帷幕常要深入不透水層基巖的一定深度，按照《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定防滲帷幕的底部高程應(yīng)深入相對不透水層5m。國外的阿斯旺、馬特馬克壩等的帷幕體均深入相對不透水層的深度在10m 以上，本文選定帷幕深入不透水基巖深度5 ～10m。為了保證防滲帷幕體不發(fā)生機(jī)械管涌破壞，能夠足夠?qū)節(jié)B透水的抵抗和侵蝕影響，正常發(fā)揮防滲功能，并保證在設(shè)置帷幕后，地基足夠穩(wěn)定，覆蓋層不發(fā)生管涌破壞現(xiàn)象，規(guī)范要求防滲帷幕的水力比降要控制在允許范圍內(nèi)。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：該類深厚覆蓋層建立的防滲帷幕其允許比降為3 ～4。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證，在已建類似工程中實(shí)際應(yīng)用取較大值，滲流通過防滲帷幕的最大水力坡降區(qū)間為2 ～10。比如我國密云水庫選取6.0；印度吉爾納壩選用10.0；法國克魯斯登壩選取8.3。隨著豎直防滲深度的加大，一般防滲帷幕體水力坡降的允許值可適當(dāng)?shù)奶岣?，因該工程深厚覆蓋層的地質(zhì)復(fù)雜性，透水性差異較大，地質(zhì)勘察顯示地基中有大孤石、砂層和架空現(xiàn)象。綜合考慮，本工程防滲帷幕體設(shè)計(jì)允許水力坡降為5 ～6。4 種不同設(shè)計(jì)方案的滲透比降均在控制范圍之內(nèi)，滿足滲流穩(wěn)定性要求。

綜合認(rèn)為，選址在深厚覆蓋層地基上的土石壩，垂直防滲方案可有效地截?cái)酀B流，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)性和經(jīng)濟(jì)合理性的前提下，優(yōu)先設(shè)計(jì)垂直防滲方案。從控制滲流量方面來看，防滲效果垂直防滲墻要優(yōu)于水平鋪蓋。防滲墻下接防滲帷幕的方案可有效截?cái)鄩位鶟B透水流，是水工設(shè)計(jì)壩基防滲的一種切實(shí)可行的處理措施，在國內(nèi)外多個水利工程中得以有效驗(yàn)證。本文所采取的方案1、2、3 的防滲墻防滲帷幕的垂直防滲體系對大壩的滲流控制效果顯著，當(dāng)繼續(xù)加深防滲墻或防滲帷幕，滲流量降低趨于定值，且工程投資將增大。故推薦方案3 作為大壩防滲體系設(shè)立的最佳垂直防滲措施。

3 結(jié) 論

文章介紹了土石壩滲流分析控制方程及定解條件，闡述了巖土體中水滲流影響的基本原理及運(yùn)用固定網(wǎng)格法計(jì)算滲流逸出面和滲流面中的具體計(jì)算過程，基于實(shí)際工程建立深厚覆蓋層地基上的大壩有限元模型，運(yùn)用軟件ADINA 的ADINA.T 模塊建模并計(jì)算四種不同垂直防滲體系下，土石壩的滲流量、滲流比降及壩體浸潤線，通過不同方案的比選分析能夠阻斷壩基滲流的最佳垂直防滲措施，對該工程防滲體系的設(shè)計(jì)優(yōu)化和施工具有一定的指導(dǎo)作用。