基于3D滲透分析的現(xiàn)場滲透系數(shù)評估
——伊朗Doyraj大壩的案例分析

崔弘毅，周克發(fā)編 譯

（1.國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，310014；2.水利部大壩安全管理中心，江蘇南京，210029）

基于3D滲透分析的現(xiàn)場滲透系數(shù)評估
——伊朗Doyraj大壩的案例分析

崔弘毅1，周克發(fā)2編 譯

（1.國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，310014；2.水利部大壩安全管理中心，江蘇南京，210029）

Doyraj大壩是分區(qū)土石壩，壩高65 m，壩基為相對透水構(gòu)造。選擇截滲墻作為壩基防滲系統(tǒng)。為可靠估算壩基滲透系數(shù)，進(jìn)行了現(xiàn)場滲透測試和3D滲透反分析。計算中考慮3個水平滲透系數(shù)和垂直滲透系數(shù)的比值。估算的壩基現(xiàn)場滲透系數(shù)還被應(yīng)用于其他3D滲透分析中，以研究截滲墻延伸進(jìn)壩肩長度對滲透量的影響情況。

滲透系數(shù)；評估；防水系統(tǒng)；3D滲透反分析

1 工程概況

Doyraj大壩是一個帶心墻的分區(qū)土石壩，位于伊朗西南部的Ilam省，目前正在建設(shè)過程中。大壩壩高為65 m，壩頂長度約1 170 m。大壩壩基為巴赫蒂亞里組中相對較薄弱的礫巖。地質(zhì)研究階段試驗灌漿的綜合項目表明，灌漿不能對滲漏水形成很好的密封帷幕，最后選擇截滲墻作為壩基防水的最合適的方式。在壩基透水的巴赫蒂亞里礫巖下面有相對不透水的拉巴里組，它由泥巖和粉砂巖融合而成。根據(jù)壩基防水系統(tǒng)的設(shè)計，塑性混凝土截滲墻應(yīng)深入不透水的拉巴里組至少2 m。沿壩軸線的縱向地質(zhì)剖面見圖1所示。

在施工階段，對大壩右壩肩內(nèi)部截滲墻的幾何尺寸和深度問題存在疑慮，另外幾個疑問是關(guān)于巴赫蒂亞里組現(xiàn)場滲透系數(shù)的具體數(shù)值。因此，為了更好地明確壩基滲透系數(shù)的真實數(shù)值并解答疑問，決定在現(xiàn)場開展?jié)B透測試。

圖1 沿壩軸線的縱向地質(zhì)剖面圖Fig.1 Longitudinal geological section along dam axis

2 現(xiàn)場滲透測試

在壩基的巴赫蒂亞里組實施了兩個現(xiàn)場滲透測試。測試采用的基本方法都是往一定尺寸的孔中以固定流量加入清水，在預(yù)先設(shè)定的一段時間內(nèi)都將液面保持在固定的高程，最后通過對解析系統(tǒng)進(jìn)行3D反分析計算現(xiàn)場滲透系數(shù)。

第一個測試在一個截滲墻開挖面上進(jìn)行，其厚度為1 m，寬度為2.4 m，總深度（從導(dǎo)墻頂部）為38 m。注入開挖面的清水最大流量可達(dá)8.5 L/s，孔內(nèi)水位升高了19 m。水流持續(xù)了72 h以克服壩基最初的不飽和狀態(tài)并達(dá)到一基本穩(wěn)定滲漏量。在這72 h中，孔內(nèi)水位始終保持穩(wěn)定。在第一個測試中，可用水流量不能完全填滿測試孔，因此需要測試壩基的上部。

為對壩基上部進(jìn)行測試，決定開挖一個比截滲墻開挖面測試孔直徑稍小的井，以使所需的水量稍少。該井直徑為0.8 m，總深度（從導(dǎo)墻頂部）為27 m。測試中增大了供水量，最大流量增大至12 L/s。井內(nèi)水位上升了24.5 m，并且水流持續(xù)了72 h，井內(nèi)水位保持穩(wěn)定。

這兩個滲透測試的示意圖見圖2所示。圖中清楚顯示出，兩個測試中重疊段有8 m。由于截滲墻的操作要求，測試孔的上部4 m包括3 m的粘土和上端1 m的導(dǎo)墻。

圖2 巴赫蒂亞里組中兩個滲透測試的示意圖Fig.2 Schematic view of two permeability tests in the Bakhtiari formation

3 3D滲透反分析

為評估巴赫蒂亞里組的滲透系數(shù)，用SEEP3D有限元編碼來模擬這兩個被解析的測試。分析中，研究人員精確地模擬了幾何造型和邊界條件，試驗和誤差處理過程中，材料（巴赫蒂亞里組）的滲透系數(shù)在發(fā)生變化，對流出孔外的總流量也進(jìn)行了計算。這一過程持續(xù)到流出孔外的總流量（在一定的滲透系數(shù)下）等于注水流量。該系數(shù)被認(rèn)為是現(xiàn)場測試介質(zhì)滲透系數(shù)的平均值。

為評估結(jié)果對水平滲透系數(shù)與垂直滲透系數(shù)比率（Kx/Ky）的敏感度，分析中考慮了三個比率：1、10和100。

在與第一個測試相關(guān)的分析中，模型尺寸為80 m×80 m×23 m，中間有一1 m×2.4 m×22 m的測試孔。模型下半部分位于相對不透水的拉巴里組中，其滲透系數(shù)為1×10-5cm/s。測試孔內(nèi)總水頭為19m，對不同的滲透系數(shù)值進(jìn)行了反復(fù)分析，計算了測試孔的總流出水量。最終，總流出量為8.5 L/s時的滲透系數(shù)被選為現(xiàn)場巴赫蒂亞里組的滲透系數(shù)值。這個過程是采用之前提及的3個Kx/Ky比值演算的。該模型和相關(guān)的有限元網(wǎng)格透視圖分別見圖3和圖4。

圖3 第一個測試模型的透視圖Fig.3 Perspective view of the first test model

圖4 第一個測試模型的有限元網(wǎng)格圖Fig.4 Finite element mesh of the first test model

第二個測試中，模型尺寸為80 m×80 m×42 m，模型中間設(shè)置一口井。井深為24.5 m，在這個深度下，對15 m巴赫蒂亞里組進(jìn)行建模。由于軟件的局限，模型模擬中用一個尺寸為0.63 m×0.63 m的擁有相同內(nèi)表面積的方形孔來替代直徑為0.8 m的圓形井。模型的下半部位于拉巴里組中。井內(nèi)部總水頭為24.5 m，對不同的滲透系數(shù)值和3個不同的Kx/Ky比值進(jìn)行了反復(fù)分析，如同第一個測試中說明的情況一樣。第二個分析中，總出流量12 L/s為目標(biāo)值。該模型的透視圖見圖5。

圖5 第二個測試模型的透視圖Fig.5 Perspective view of the second test model

第一個和第二個測試模型分析得出的總水頭數(shù)值和浸潤面（水位）分別見圖6和圖7所示。

圖6 第一個測試模型的總水頭數(shù)值和浸潤面（Kx/Ky=1）Fig.6 Total head counters and phreatic surface for the first test model（Kx/Ky=1）

圖7 第二個測試模型的總水頭數(shù)值和浸潤面（Kx/Ky=1）Fig.7 Total head counters and phreatic surface for the second test model（Kx/Ky=1）

根據(jù)上述分析，對3個不同的Kx/Ky比值（分別為1、10和100），巴赫蒂亞里組現(xiàn)場滲透系數(shù)的計算值結(jié)果見表1所示。

表1 巴赫蒂亞里組現(xiàn)場滲透系數(shù)的計算值結(jié)果表Table 1 Calculated values of in-situ permeability coefficient of Bakhtiari formation

基于分析結(jié)果，在第一個測試分析中，測試孔底端位于相對不透水的拉巴里組，因此，溢出測試孔的水流其主要流向為水平向，計算出的滲透系數(shù)和Kx/Ky的比值不相關(guān)。在第二個測試分析中，測試井底端仍在透水的巴赫蒂亞里組，拉巴里組在測試井底下15 m處，溢出水垂直流向是存在的，但主要流向仍為水平向滲透，因此，計算的滲透系數(shù)數(shù)值與Kx/Ky的比值相關(guān)性較小。

根據(jù)測試和反分析結(jié)果，同時考慮壩基地質(zhì)條件的不確定性，認(rèn)為巴赫蒂亞里組（在水平和垂直方向）的滲透系數(shù)為6×10-3cm/s，在其后壩基防滲系統(tǒng)的設(shè)計和分析中也使用的是該數(shù)值。

4 防滲系統(tǒng)的分析和設(shè)計

為減少大壩右壩肩的滲透，決定將截滲墻延伸進(jìn)壩肩里。截滲墻延伸進(jìn)壩肩的合理長度需要通過可靠的分析來獲得。因此，通過SEEP 3D模型來模擬右壩肩的簡化幾何造型，并且，對截滲墻不同的延伸長度也進(jìn)行了分析。

分析中共考慮過7個截滲墻延伸進(jìn)壩肩的延伸長度，分別為0、150、250、350、450、550和650。在最初的設(shè)計中，截滲墻有一個向上游約60°的旋轉(zhuǎn)值。分析中，巴赫蒂亞里組的滲透系數(shù)為6×10-3cm/s，截滲墻的滲透系數(shù)為5×10-7cm/s。模型和相關(guān)有限元網(wǎng)格透視圖分別見圖8和圖9。

圖8 右壩肩模型透視圖Fig.8 A perspective view of the right abutment model

圖9 右壩肩模型的有限元網(wǎng)格圖Fig.9 Finite element mesh of the right abutment model

為簡化問題，未對壩體進(jìn)行建模模擬，并將正常蓄水位作為總水頭作用在水庫上游面上。

圖10和圖11分別為截滲墻延伸進(jìn)右壩肩長度為150 m和650 m時，分析獲得的總水頭線。

圖10 右壩肩模型中的總水頭線（截滲墻延伸長度為150 m）Fig.10 Total head counters for the right abutment model（cut?off wall extension of 150 m）

圖11 右壩肩模型中的總水頭線（截滲墻延伸長度為650 m）Fig.11 Total head counters for the right abutment model（cut?off wall extension of 650 m）

根據(jù)這些分析結(jié)果，計算不同截滲墻延伸長度條件下的右壩肩總滲流量，結(jié)果見圖12。

圖12 不同截滲墻延伸長度條件下的右壩肩總滲透量變化曲線Fig.12 Variation of total flux from the right abutment against cutoff extension length

與預(yù)想一致，隨著截滲墻延伸長度的增加，右壩肩的總滲透量逐漸減小。但是，隨著截滲墻延伸長度的增加，其防滲效率在逐漸降低，因此，滲透量減少率即曲線斜率表現(xiàn)為前半段（截滲墻延伸長度為0～250 m）比后半段（截滲墻延伸長度為350～650 m）更大。比如，截滲墻延伸長度從0 m增加到100 m時，總滲透量減小了約20 L/s（從130 L/s減小到110L/s），但若要將滲透量從73L/s減小到53L/s，則需要將截滲墻延伸長度增加300 m（即350～650 m）。這就意味著，將截滲墻延伸進(jìn)右壩肩的長度增加到非常大且接受由此帶來的高成本并不能得到太多回報，即使從經(jīng)濟(jì)的角度看，截滲墻延伸長度非常大的方案也不合理。于是，考慮右壩肩總滲透量100 L/s為可接受數(shù)值，最終確定截滲墻延伸至右壩肩內(nèi)的長度為150 m。

5 結(jié)語

通過進(jìn)行現(xiàn)場滲透測試和3D滲透反分析，對壩基滲透系數(shù)值進(jìn)行了可靠的評估。選定的壩基現(xiàn)場滲透系數(shù)后來被應(yīng)用到右壩肩的另一系列3D滲透分析中，以得到最佳的截滲墻延伸長度。該研究的主要結(jié)論如下：

（1）為可靠估算相對透水組的滲透系數(shù)，進(jìn)行現(xiàn)場測試并通過3D滲透反分析計算滲透系數(shù)值是合理的實施方式。

（2）水平滲透系數(shù)和垂直滲透系數(shù)的比值（Kx/Ky）對上面提及的反分析結(jié)果的影響取決于主要的滲透水流流向，并且在計算中必須考慮該比值的影響。

（3）為減少滲透，將截滲墻建入右壩肩，但隨著截滲墻延伸長度的增加，其防滲效率逐漸減小，因此，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的角度看，防滲設(shè)施（如截滲墻）都存在最佳延伸長度值。 ■

[1]Tabibnejad A R.Evaluation of in-situ permeability coeffi?cient using 3d seepage analysis,case study of Doyraj dam [C].Proceedings of ICOLD 2013 International Symposium. Seattle,Washington USA,2013.

Doyraj dam is a zoned embankment dam with a height of 65 m,laid on a relatively permeable formation.The selected type of foundation water tightening system is a cutoff wall.In order to make a re?liable estimation of the foundation permeability coefficient in-situ permeability tests has been per?formed in conjunction with 3D seepage back analysis.Three different ratios of horizontal to vertical per?meability coefficients have been considered in the calculations.The evaluated in-situ permeability coef?ficient of the foundation has been used in other 3D seepage analyses to study the effect of the extension length of the cutoff wall into the abutment on the amount of seepage.

permeability coefficient;evaluation;water tightening system;3D seepage back analysis

TV698.1

B

1671-1092（2014）02-0067-04

2014-02-12

崔弘毅（1983-），女，重慶人，助理工程師，主要從事大壩安全方面的研究。

Title:Evaluation of in-situ permeability coefficient using 3D seepage analysis,case study of Doyraj dam//by CUI Hong-yi and ZHOU Ke-fa//Large Dam Safety Supervision Center of National Energy Ad?ministration