張 瑋

（濟(jì)南市水政監(jiān)察支隊(duì)，山東 濟(jì)南 250000）

防滲墻是水庫(kù)壩體、水電站、河道堤防等水工設(shè)施中常用的防滲結(jié)構(gòu)[1-3]，其設(shè)計(jì)效果對(duì)水工建筑的運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定性具有重要意義。防滲墻自身結(jié)構(gòu)參數(shù)、工程運(yùn)營(yíng)荷載等均會(huì)影響防滲效果，從而導(dǎo)致水工建筑出現(xiàn)滲漏等防滲失效現(xiàn)象[4，5]。鄧佳等[6]、劉菊蓮[7]為研究防滲墻結(jié)構(gòu)與水工建筑的適配性，采用Fluent 模擬了防滲墻不同設(shè)計(jì)方案下運(yùn)營(yíng)工況，探討了防滲墻設(shè)計(jì)工藝對(duì)水工設(shè)施的流速、壓強(qiáng)等水力參數(shù)影響，評(píng)價(jià)了防滲墻設(shè)計(jì)合理性，對(duì)提升水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平有參考價(jià)值。防滲墻作為一種水工結(jié)構(gòu)，其靜、動(dòng)力響應(yīng)特征也是設(shè)計(jì)方案需考慮的問題，張富有等[8]、唐友山等[9]采用數(shù)值仿真計(jì)算方法，分析了防滲墻結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移以及動(dòng)力響應(yīng)特征影響變化，在考慮結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力場(chǎng)安全下遴選最優(yōu)方案。水工建筑中流固耦合環(huán)境較為常見，防滲墻自身所處工程環(huán)境亦是如此，王正成等[10]、高江林等[11]通過引入流固耦合場(chǎng)控制理論，對(duì)閘門、閘站以及防滲墻等水工結(jié)構(gòu)開展了流固耦合分析，揭示了流固耦合疊加作用下水工結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移以及三維流場(chǎng)變化，貼合了工程運(yùn)營(yíng)實(shí)際，豐富了實(shí)際工程設(shè)計(jì)參考成果。為研究蒙陰水庫(kù)圍堰防滲墻設(shè)計(jì)，引入滲流-應(yīng)力場(chǎng)耦合迭代求解方法，探討了防滲墻不同厚度下圍堰流態(tài)、流場(chǎng)影響變化，評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案的合理性。

1 概況

1.1 工程情況

作為臨沂地區(qū)重要供水中樞，蒙陰水庫(kù)承擔(dān)著防洪、排澇、農(nóng)業(yè)灌溉以及水利發(fā)電功能，建設(shè)運(yùn)營(yíng)年限超過20 a，攔截上游孟河形成Ⅱ級(jí)水庫(kù)，最大庫(kù)容量超過1 000 萬m3，有力支撐了地區(qū)輸供水效率。在臨沂境內(nèi)，不僅存在蒙陰水庫(kù)，還存在杏子山水庫(kù)等中小型水庫(kù)，它們構(gòu)建起完善的梯級(jí)水庫(kù)調(diào)節(jié)樞紐，保障了極端干旱天氣的防旱抗旱工作。根據(jù)水利部門統(tǒng)計(jì)，從2022年6月上旬至8月，席卷全國(guó)的高溫天氣使臨沂地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重旱情，通過蒙陰水庫(kù)、上峪水庫(kù)等多個(gè)梯級(jí)水庫(kù)調(diào)節(jié)水位，僅7 月供應(yīng)水資源量超過800 萬m3，極大緩解了孟河流域下游農(nóng)業(yè)生產(chǎn)缺水問題。另一方面，雖蒙陰水庫(kù)在2022 年夏秋季防旱抗旱工作中發(fā)揮了重要作用，但從中發(fā)現(xiàn)了水庫(kù)部分運(yùn)營(yíng)問題，如運(yùn)營(yíng)泄流量低于設(shè)計(jì)值，部分堆筑壩滲透坡降較大，地表徑流較活躍，監(jiān)測(cè)獲得最大滲透坡降可達(dá)0.24，且溢洪道泄槽段出現(xiàn)局部壅流、漩渦等現(xiàn)象，泄流效率較低，消能水平較差等。為此，水利部門計(jì)劃先期對(duì)蒙陰水庫(kù)開展病險(xiǎn)調(diào)查，目前蒙陰水庫(kù)為心墻堆筑壩與部分混凝土重力壩組合形式，最大壩高為45 m，全壩軸長(zhǎng)為782 m，壩體高度分布為22～45 m，出現(xiàn)滲流活躍區(qū)域壩段并未設(shè)置防滲墻結(jié)構(gòu)，僅有防滲面板等防滲體系。泄洪閘位于心墻壩右側(cè)，采用主、次錨索與鋼絞線作為閘墩支撐加固結(jié)構(gòu)，如圖1（a）所示，閘底板厚度為0.4 m，底板防滲性能也較差，泥沙淤積等較嚴(yán)重，這也是影響水庫(kù)泄流運(yùn)營(yíng)較低的重要原因。從初步現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和資料分析，考慮在泄洪閘下游新建擋墻結(jié)構(gòu)，減弱下游非穩(wěn)定水流產(chǎn)生，其設(shè)計(jì)立面如圖1（b）所示，且可抑制背水側(cè)壩坡突涌、流土等。溢洪道加固設(shè)計(jì)如圖2所示，堰型為WES曲面結(jié)構(gòu)，進(jìn)水口有控制段、反弧段等，溢流段坡度為1∶0.75，消力池軸長(zhǎng)為9.5 m，反弧段為53.13°，相關(guān)的摻氣坎、底坎等消流構(gòu)件在室內(nèi)模型中運(yùn)營(yíng)效果較佳，設(shè)計(jì)采用圍堰導(dǎo)流施工方法，解決溢洪道和壩體防滲結(jié)構(gòu)施工問題。水利部門綜合分析蒙陰水庫(kù)壩體以及溢洪道除險(xiǎn)設(shè)計(jì)，認(rèn)為圍堰導(dǎo)流應(yīng)用優(yōu)勢(shì)較大，但堰體以及壩體的防滲乃是重中之重，必須提高壩體防滲能力和降低圍堰滲漏量等。為此，設(shè)計(jì)部門針對(duì)蒙陰水庫(kù)圍堰設(shè)計(jì)，開展防滲結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)研究。

圖1 部分工程設(shè)計(jì)

圖2 溢洪道設(shè)計(jì)

1.2 建模設(shè)計(jì)

防滲墻乃是圍堰防滲結(jié)構(gòu)體系中重要組成，其參數(shù)設(shè)計(jì)與圍堰流態(tài)、流場(chǎng)特征密切相關(guān)，探討其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有利于在防滲安全與設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理性之間尋到平衡。根據(jù)蒙陰水庫(kù)壩體設(shè)計(jì)，圍堰軸長(zhǎng)為650 m，包括有不同程度風(fēng)化的基巖、堆筑區(qū)、土工防滲膜、防滲墻以及其他土性堆筑區(qū)，按照分區(qū)分模塊建模要求，建立了圍堰計(jì)算模型，如圖3所示。該模型中共有11個(gè)分區(qū)，與實(shí)際工程堰體剖面設(shè)計(jì)一致，如Ⅵ區(qū)為防滲墻體，Ⅸ～Ⅺ均為灰?guī)r基巖層，按照基巖風(fēng)化程度分為強(qiáng)風(fēng)化層、弱風(fēng)化層、微風(fēng)化層，厚度分別為10、20、40 m，模型深度影響范圍設(shè)定至微風(fēng)化基巖面。按照建模要求，本模型為液固二相體組成，頂、底面分別為法向單向自由度以及無自由度設(shè)計(jì)，全模型通過沉降位移控制邊界。計(jì)算中基巖、堆筑料等巖土體物理力學(xué)參數(shù)均以室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)取值，如堆筑料中粉砂黏聚力為25 kPa、粉質(zhì)壤土粒徑為0.8～3.2 mm。

圖3 圍堰計(jì)算模型

圍堰防滲結(jié)構(gòu)體系中土工防滲膜作為已有防滲結(jié)構(gòu)，位于圖3模型的Ⅰ區(qū)，模型中其滲透系數(shù)取值為1×10-9m∕s，厚度為2 mm。其控制滲流量按照下式確定[4，12]：

式中：qg、kg分別指單寬滲流量（m2∕s）、滲透系數(shù)（m∕s）；i指滲透坡降；ΔHg、Tg分別指水頭差（m）、墻體厚度（m）。

單獨(dú)提取獲得土工防滲膜模型與防滲墻模型，如圖4所示，兩者作為圍堰體防滲組成，計(jì)算網(wǎng)格劃分時(shí)網(wǎng)格分布密度均高于其他區(qū)域。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，防滲膜模型共有網(wǎng)格單元13 628 個(gè)、節(jié)點(diǎn)數(shù)9 827 個(gè)，防滲墻獨(dú)立模型共有網(wǎng)格單元28 637 個(gè)、節(jié)點(diǎn)數(shù)22 634 個(gè)。計(jì)算圍堰上、下游水位按照蒙陰水庫(kù)運(yùn)營(yíng)期確定，分別為32.5、5.5 m。

圖4 防滲結(jié)構(gòu)模型

由于研究工況中存在滲流場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)（流固場(chǎng)）耦合情況，本文引入滲流-應(yīng)力兩場(chǎng)耦合平衡方程，見下式[10，13]：

式中：[K]指剛度矩陣；{δ} 指位移矩陣；{F} 指荷載矩陣；{Fs} 指滲流場(chǎng)作用力矩陣。

基于上述幾何物理方程聯(lián)解，獲得耦合場(chǎng)流體運(yùn)動(dòng)控制方程變化，見下式：

式中：[K]指剛度矩陣；{Δδ} 指位移增量矩陣；{ΔF} 、{ΔFs} 分別指荷載增量矩陣、滲流場(chǎng)作用力增量矩陣；[k]指滲透系數(shù)矩陣；{h} 指水頭差矩陣；[S]指流量矩陣；{f}指常數(shù)矩陣；[D]指流體運(yùn)動(dòng)模量矩陣；[B]指流體運(yùn)動(dòng)尺寸矩陣；σ指應(yīng)力（Pa）；ε指應(yīng)變，無量綱；t指運(yùn)動(dòng)時(shí)間（s）。

以耦合場(chǎng)控制方程式（3）—（5）為基礎(chǔ)，在仿真計(jì)算平臺(tái)上完成多次迭代求解，從而獲得相應(yīng)的滲流解。在考慮防滲墻設(shè)計(jì)參數(shù)的前提下，圍堰三維流態(tài)、流場(chǎng)均會(huì)與參數(shù)變化息息相關(guān)，而防滲墻設(shè)計(jì)參數(shù)涵蓋了入巖深度、厚度、灌漿料類型等，在防滲墻入巖深度至弱風(fēng)化基巖面的前提下，對(duì)其厚度設(shè)計(jì)參數(shù)開展對(duì)比研究，灌漿料均為C30水工混凝土。研究方案設(shè)定防滲墻厚度為0（無防滲墻）、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 m 共7 個(gè)方案，研究防滲墻不同厚度對(duì)圍堰三維滲流場(chǎng)影響，評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案的合理適用性。

2 防滲墻設(shè)計(jì)對(duì)圍堰流態(tài)特征的影響

為研究防滲墻設(shè)計(jì)對(duì)圍堰三維滲流影響，基于滲流-應(yīng)力耦合場(chǎng)計(jì)算，獲得圍堰體水頭線流態(tài)特征，如圖5 所示。從圖5 可以看出，在無防滲墻設(shè)計(jì)下，堰體內(nèi)水頭等值線聚集區(qū)位于壩腳溢出點(diǎn)，表明堰體迎、背水側(cè)之間形成了一道較高水頭差，集中有較大水力勢(shì)能，有助于堰體內(nèi)滲透通道貫通，導(dǎo)致堰體內(nèi)徑流活動(dòng)加劇。當(dāng)增設(shè)防滲墻后，相應(yīng)的水頭等值線密集區(qū)遷移至防滲墻底部，下游背水側(cè)堰坡內(nèi)無較多水頭分布，即防滲墻成為迎、背水側(cè)之間的“擋水板”，限制了迎、背水側(cè)之間的滲流活動(dòng)，在堰體內(nèi)呈現(xiàn)較好防滲效果。由此可知，增設(shè)防滲墻對(duì)堰坡滲透特性具有較好抑制效果[6，14]。

圖5 流態(tài)特征

無防滲墻、防滲墻厚度0.4 m下堰體孔隙水壓力分布特征，如圖6 所示。依據(jù)圖6 中流態(tài)特征可知，無防滲墻時(shí)，孔隙水壓力等值線在堰體迎、背水側(cè)分布均勻，從壩頂至壩底逐步遞增，最大孔隙水壓力可達(dá)1 000 kPa，堰坡內(nèi)孔隙水壓力分布反映了滲流活動(dòng)較穩(wěn)定、均勻。增設(shè)防滲墻后，堰體內(nèi)迎、背水側(cè)孔隙水壓力分布具有突變特征，如迎水側(cè)800 kPa等值線在下游突變成200 kPa，孔隙水壓力突變點(diǎn)位于防滲墻底部，即迎水側(cè)較高孔隙水壓力經(jīng)防滲墻后均發(fā)生突變，在背水側(cè)分布有較小孔隙水壓力。分析認(rèn)為，防滲墻滲透系數(shù)較之堰坡內(nèi)堆筑料低了4～5 個(gè)量級(jí)，滲流活動(dòng)經(jīng)防滲墻后會(huì)形成止水帷幕，降低其滲透活動(dòng)，因而表現(xiàn)出孔隙水壓力分布突變特征。

圖6 孔隙水壓力特征

3 防滲墻設(shè)計(jì)對(duì)圍堰流場(chǎng)特征的影響

從防滲墻與圍堰耦合場(chǎng)流態(tài)特征可知，增設(shè)防滲墻結(jié)構(gòu)，有助于提高堰坡內(nèi)防滲能力，降低滲流活動(dòng)。因而，防滲墻厚度設(shè)計(jì)較為關(guān)鍵，根據(jù)圍堰導(dǎo)流量設(shè)計(jì)有150、200、250 m3∕s 3個(gè)研究工況，探討防滲墻厚度參數(shù)設(shè)計(jì)方案。

3.1 單寬滲流量

依據(jù)圍堰3 個(gè)導(dǎo)流工況，計(jì)算獲得堰坡單寬滲流量影響變化特征，如圖7 所示。分析圖7 中單寬滲流量可知，導(dǎo)流量愈大，單寬滲流量愈高，在無防滲墻方案中，導(dǎo)流量150 m3∕s 工況下單寬滲流量為6.7 m2∕s，而導(dǎo)流量200、250 m3∕s 工況下單寬滲流量較前者分別提高了33.2%、58.4%。當(dāng)增設(shè)防滲墻后，如防滲墻厚度為0.4 m，后者兩導(dǎo)流量工況單寬滲流量分別為6.1、7.5 m2∕s，較之前者導(dǎo)流量150 m3∕s工況下分別提高了27.5%、53.2%。對(duì)比可知，增設(shè)防滲墻后，不同導(dǎo)流量工況下單寬滲流量差異縮小。

圖7 單寬滲流量與防滲墻厚度變化關(guān)系

對(duì)比同一導(dǎo)流量下單寬滲流量變化可知，隨防滲墻厚度遞增，單寬滲流量呈先減后增變化，最低為墻厚度0.8 m 方案。導(dǎo)流量150～250 m3∕s 下單寬滲流量分別為2.36、2.83、3.4 m2∕s。當(dāng)墻厚度低于0.8 m時(shí)，導(dǎo)流量150 m3∕s 工況、墻厚度0.4 和0.6 m 下單寬滲流量分別為4.88、3.5 m2∕s，墻厚度0.8 m 單寬滲流量較之前兩者分別下降了51.7%、32.4%，隨墻厚度梯次0.2 m 變化，單寬滲流量平均下降了30.4%；但墻厚度為1.0、1.2、1.4 m 時(shí)，相應(yīng)的單寬滲流量分別為2.87、4.2、5.5 m2∕s，較之墻厚度0.8 m 單寬滲流量分別增大了21.6%、78%、133.6%，在墻厚度超過0.8 m后，隨墻厚度0.2 m 的變化，單寬滲流量平均可提高33.1%。當(dāng)導(dǎo)流量增大至200、250 m3∕s 后，單寬滲流量隨防滲墻厚度變化仍是如此。筆者認(rèn)為，增大防滲墻厚度，有助于增大止水帷幕寬度，對(duì)堰坡內(nèi)滲流活動(dòng)限制作用更強(qiáng)；但不可忽視的是，墻厚度持續(xù)增大，其自身占據(jù)風(fēng)化基巖層的空間更大，對(duì)基巖風(fēng)化層、擾動(dòng)層影響更大，在滲流-應(yīng)力場(chǎng)耦合作用下易造成堰坡突涌、壅流等非穩(wěn)定滲流活動(dòng)[1，15]，因而呈現(xiàn)單寬滲流量在墻厚度0.8 m后陡增的現(xiàn)象。

3.2 滲透坡降

基于耦合場(chǎng)三維滲流計(jì)算，獲得防滲墻底部滲透坡降影響變化，如圖8所示。由圖8中滲透坡降影響特征可知，導(dǎo)流量愈大，滲透坡降愈大，導(dǎo)流量250 m3∕s 工況下7 個(gè)方案中滲透坡降分布為18.93～63.2，而導(dǎo)流量150、200 m3∕s工況下滲透坡降較前者分別下降了29.6%～38%、11.5%～18.8%。防滲墻厚度與滲透坡降具有負(fù)相關(guān)特征，且降幅在墻厚0.8 m 后減??；導(dǎo)流量150 m3∕s 工況、墻厚度0.4 m 下滲透坡降為25.7，而墻厚度0.6、0.8 m 較前者分別下降了24.9%、46.2%，隨墻厚度0.4～0.8 m 變化，滲透坡降平均降幅為26.6%，而在墻厚度1.0、1.2、1.4 m下滲透坡降總共降低了6.8%，平均降幅為3.6%，在墻厚度1.4 m 下滲透坡降為12.4。當(dāng)導(dǎo)流量增大至250 m3∕s 后，滲透坡降隨墻厚度變化實(shí)質(zhì)上仍是如此，在墻厚度0.8 m 后具有降幅減緩特征。由此可知，墻厚度參數(shù)并不是一定要最大，而是要合理即可，在模型計(jì)算結(jié)果中，墻厚度0.6 m 后滲透坡降實(shí)質(zhì)上低于安全允許值30，當(dāng)墻厚度為0.8 m 時(shí)三維流場(chǎng)特征處于最優(yōu)狀態(tài)，故選擇該方案為最適方案。

圖8 滲透坡降與防滲墻厚度變化關(guān)系

4 結(jié)論

（1）無防滲墻下堰坡下游聚集較多水頭線，徑流活動(dòng)較強(qiáng)，孔隙水壓力在迎、背水側(cè)均勻穩(wěn)定；增設(shè)防滲墻后，堰坡內(nèi)水頭線集中區(qū)遷移至墻底部，孔隙水壓力也在墻底部發(fā)生突變，防滲墻存在能有效限制堰坡內(nèi)滲流活動(dòng)。

（2）圍堰導(dǎo)流量愈大，堰坡單寬滲流量愈高，增設(shè)防滲墻能減小不同導(dǎo)流量工況下滲流量差異；防滲墻厚度遞增，滲流量呈先減后增變化，最低為厚度0.8 m 方案，導(dǎo)流量150、200、250 m3∕s 工況下滲流量分別為2.36、2.83、3.4 m2∕s。

（3）導(dǎo)流量愈大，防滲墻底部滲透坡降愈高，導(dǎo)流量150、200 m3∕s 工況下滲透坡降較250 m3∕s 下分別下降了29.6%～38%、11.5%～18.8%；墻厚度增大，滲透坡降減小，且在墻厚度0.8 m后降幅減緩，導(dǎo)流量150 m3∕s 工況下墻厚度0.4～0.8 與1.0～1.4 m 的滲透坡降隨墻厚度0.2 m增大變化分別平均下降了26.6%、3.6%。

（4）從耦合場(chǎng)流態(tài)、流場(chǎng)特征考慮，防滲墻厚度0.8 m為最適方案。