西藏某水電站工程首部樞紐平衡防滲優(yōu)化設(shè)計

黨發(fā)寧，熊　璐，王振華,2，田紅梅

(1.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所，陜西 西安 710048；2.中國電力工程顧問集團(tuán) 西北電力設(shè)計院，陜西 西安 710075)

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西藏某水電站工程首部樞紐平衡防滲優(yōu)化設(shè)計

黨發(fā)寧1，熊璐1，王振華1,2，田紅梅1

(1.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所，陜西 西安 710048；2.中國電力工程顧問集團(tuán) 西北電力設(shè)計院，陜西 西安 710075)

摘要：以“平衡防滲原理”為依據(jù)進(jìn)行防滲帷幕各分區(qū)設(shè)計，即依據(jù)滲漏量和允許水力坡降的控制標(biāo)準(zhǔn)先確定防滲帷幕的深度，再依據(jù)繞過兩岸帷幕的滲流速度等于繞過壩基河床下帷幕的滲流速度確定防滲帷幕長度，最后，依據(jù)穿過帷幕的滲流速度等于繞過壩基河床下帷幕的滲流速度確定防滲帷幕的厚度，可以避免防滲帷幕局部防滲過當(dāng)或防滲不足，達(dá)到全局最優(yōu)。對西藏某水電站工程首部樞紐攔河壩不同防滲分區(qū)的各種防滲方案進(jìn)行了平衡防滲優(yōu)化設(shè)計，通過三維有限元軟件的計算結(jié)果分析，驗證了依據(jù)“平衡防滲原理”進(jìn)行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的合理性。研究成果不僅對該工程防滲方案的修改提供依據(jù)，還對類似工程防滲帷幕的設(shè)計提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：防滲帷幕；滲流速度；優(yōu)化設(shè)計

水利水電工程中,防滲工程成敗往往決定著工程是否能發(fā)揮預(yù)期效益。一方面取決于防滲工程的施工質(zhì)量,另一方面取決于防滲工程設(shè)計是否合理。防滲帷幕的設(shè)計包括深度、長度以及厚度的設(shè)計。按照規(guī)范規(guī)定，防滲帷幕的設(shè)計應(yīng)該符合以下要求：控制滲漏對壩基及兩岸邊坡穩(wěn)定的不利影響；控制壩基軟弱夾層、斷裂破碎帶、巖體裂隙充填物以及抗水性能差的巖層不產(chǎn)生管涌；控制壩基面滲透壓力和滲流量；具有可靠的連續(xù)性和足夠的耐久性。

國內(nèi)外學(xué)者對防滲帷幕的設(shè)計進(jìn)行了大量工作，杜延齡等[1]認(rèn)為巖基中灌漿帷幕的防滲效果應(yīng)以其相對滲透性來評價,并應(yīng)采用其合理值,過分減小帷幕的滲透性是不能取得相應(yīng)防滲效果的。對于透水巖基很深的情況,其帷幕深度也應(yīng)采用合理值。由于灌漿帷幕本身是透水的,過分加大其深度同樣不能取得相應(yīng)的防滲效果。楊秀竹等[2]對懸掛式防滲帷幕的防滲效果作了詳細(xì)的分析，認(rèn)為當(dāng)懸掛式防滲帷幕達(dá)到一定的深度和厚度要求時，除帷幕底部小范圍內(nèi)存在較大的滲流速度外，其它部分的滲流速度以及下游出溢處的水力梯度均有顯著降低。謝興華等[3]認(rèn)為，從局部滲透穩(wěn)定的角度出發(fā)，有限深度承壓透水層中防滲墻的深度并非越深越好，而是存在最優(yōu)深度。防滲墻太深，反而導(dǎo)致防滲墻端部滲透坡降增大。若覆蓋層的顆粒級配不良，易出現(xiàn)局部滲透破壞，發(fā)生管涌等現(xiàn)象。王漢輝[4]認(rèn)為防滲帷幕平面布置應(yīng)結(jié)合隔水層或相對隔水層的分布及帷幕線路上的水文地質(zhì)條件進(jìn)行比選,以確定安全、經(jīng)濟(jì)、可靠的防滲線路。防滲帷幕剖面布置應(yīng)綜合考慮工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及水文地質(zhì)條件等因素,確定剖面布置型式及帷幕深度。張景秀[5]認(rèn)為防滲帷幕、防滲墻等堵漏設(shè)施并不是越嚴(yán)密、越堅實、越不透水越好，不僅加大工程量而且過多消費財力與時間。

研究者們[6-10]從不同角度對防滲帷幕的設(shè)計進(jìn)行論證，均體現(xiàn)出一個學(xué)術(shù)思想，即大壩防滲結(jié)構(gòu)的深度、長度和厚度并非越大越好，而是應(yīng)該有一個合理的度。那么，防滲帷幕的深度、長度和厚度之間有沒有一個合理的內(nèi)在聯(lián)系呢？本文運用平衡防滲原理，對防滲帷幕采用“深度→長度→厚度”依次確定的優(yōu)化設(shè)計方法，既可以保證大壩的防滲效果達(dá)到滲控要求，又可以實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)最優(yōu)。

本文首先介紹了防滲帷幕“平衡防滲法”的優(yōu)化設(shè)計原理，通過西藏某水電站工程首部樞紐攔河壩工程實例詳述了平衡防滲優(yōu)化設(shè)計過程，通過三維有限元滲流分析結(jié)果驗證了這一理論的合理性。論文的理論部分以大壩的防滲帷幕結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計為例論述，其優(yōu)化原理對防滲墻等同類水工結(jié)構(gòu)設(shè)計同樣適用。

1　防滲帷幕“平衡防滲”優(yōu)化設(shè)計方法

所謂防滲帷幕結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的“深度→長度→厚度”依次設(shè)計的“平衡防滲法”，是指依據(jù)對滲控效果貢獻(xiàn)性的大小和重要性順序，將防滲帷幕的設(shè)計分為三大步，優(yōu)先確定防滲帷幕的深度，再確定帷幕的長度，最后確定帷幕的厚度。其中，帷幕深度依據(jù)滲漏量和允許水力坡降的控制標(biāo)準(zhǔn)確定；左右岸的帷幕長度依據(jù)繞過兩岸帷幕的滲流速度等于繞過壩基河床下帷幕的滲流速度確定；各部位帷幕的厚度依據(jù)穿過帷幕的滲流速度等于繞過壩基河床下帷幕的滲流速度確定。整個設(shè)計原則是在滿足滲透穩(wěn)定的前提下，保證工程區(qū)各部位的滲流得到平衡控制，既不能形成主滲流通道，也不能在某個部位防滲過當(dāng)，達(dá)到全局最優(yōu)的方法，將以上方法定義為“平衡防滲法”。

1.1壩基中防滲帷幕深度的確定

“平衡防滲法”的第一步是確定防滲帷幕的深度，當(dāng)隔水層(或相對隔水層)在壩基河床下埋深較淺時，應(yīng)選擇封閉式帷幕，帷幕應(yīng)深入隔水層頂板下5 m～10 m，局部地質(zhì)缺陷部位應(yīng)適當(dāng)加深。不同規(guī)范規(guī)定不同壩高相應(yīng)隔水層q值控制標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1　國內(nèi)主要水工建筑物規(guī)范規(guī)定的防滲線控制標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)無隔水層或隔水層(或相對隔水層)埋深較大時，帷幕深度難以達(dá)到隔水層，可根據(jù)工程需要，選擇采用懸掛式防滲帷幕。

影響帷幕防滲效果的因素首先是深度,隨著帷幕的加深,繞滲流量逐步減小,當(dāng)帷幕深度超過一定界限值時，再繼續(xù)加大帷幕的深度,將不再引起下游水頭值的降低。這時帷幕的深度就是其有效深度。

實際設(shè)計時，可先按規(guī)范規(guī)定的防滲線控制標(biāo)準(zhǔn)確定出壩基及兩岸帷幕的初始設(shè)防范圍，然后計算滲透流量和水力坡降，在滿足滲透流量控制標(biāo)準(zhǔn)和水力坡降控制標(biāo)準(zhǔn)的前提下確定出河床帷幕的最終設(shè)計深度。

1.2左右岸防滲帷幕長度的確定

第二步是確定左右岸防滲帷幕長度，確定方法如下：在滿足壩體滲透穩(wěn)定(i<[icr])和滲流量控制標(biāo)準(zhǔn)的前提下，控制兩岸的最大繞滲速度vb等于防滲帷幕上下游地層中的最大繞滲速度vr。防滲帷幕的長度Lb可按式(1)計算：

(1)

式中：Lr為防滲帷幕的深度，kb和kr分別為兩岸巖體和壩基覆蓋層(基巖)的滲透系數(shù)。若河床為多層覆蓋層地基、左右岸為多層水平巖層時，kb和kr可按層狀地層的綜合滲透系數(shù)考慮。

1.3防滲帷幕厚度的確定

第三步確定防滲帷幕的厚度。與上述確定防滲帷幕長度的原理類似，在滿足壩體滲透穩(wěn)定(i<[icr])和滲流量控制標(biāo)準(zhǔn)的前提下，穿過防滲帷幕的最大滲流速度vc等于防滲帷幕上下游地層中的最大繞滲速度vr。防滲帷幕的厚度d可按式(2)計算：

(2)

式中：Lr為防滲帷幕的深度，kc和kr分別為防滲帷幕和壩基覆蓋層(基巖)的滲透系數(shù)。若河床為多層覆蓋層地基kr可按綜合滲透系數(shù)考慮。

防滲帷幕的深度超過以上計算值時，滲透水流優(yōu)先選擇從左右岸繞滲到達(dá)下游，超出計算值的帷幕深度無效；帷幕的長度和厚度超過以上計算值，滲透水流優(yōu)先選擇從河床帷幕下方繞滲到達(dá)下游，超出計算值的帷幕長度和厚度無效。帷幕的厚度小于此值，滲透水流優(yōu)先選擇穿越帷幕到達(dá)下游；帷幕的深度、長度小于以上計算值，則滲透水流將從帷幕下方、左右岸繞滲到下游。說明按以上方法確定的左右岸防滲帷幕的長度和厚度，既滿足了防滲控制標(biāo)準(zhǔn)要求，又達(dá)到了最大程度節(jié)約投資的目的，是一種最優(yōu)設(shè)計方法。

1.4帷幕施工質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)研究

帷幕的施工質(zhì)量較差時，其滲透性會增大。帷幕的施工質(zhì)量如何控制，能否給出一個恰當(dāng)?shù)亩炕瘶?biāo)準(zhǔn)呢，答案是肯定的。由式(2)得：

(3)

該式實際上是一個控制帷幕施工質(zhì)量的量化標(biāo)準(zhǔn)。如2排帷幕的厚度近似取為2 m，當(dāng)帷幕的深度為50 m時，該式變?yōu)閗c=0.02kr。上式說明本工況帷幕的滲透系數(shù)至少應(yīng)比河床覆蓋層的滲透系數(shù)小50倍。否則，滲流由以通過帷幕底部的繞滲為主轉(zhuǎn)化為以穿過帷幕的滲流為主，說明帷幕已經(jīng)失去其應(yīng)有的功效。顯然，當(dāng)帷幕的深度為75 m時，本工況帷幕的滲透系數(shù)至少應(yīng)比河床覆蓋層的滲透系數(shù)小75倍，否則帷幕失效。

式(3)同樣適應(yīng)于控制左右兩岸的帷幕施工質(zhì)量的量化標(biāo)準(zhǔn)的公式：

(4)

同理，若1排帷幕厚度為1 m，當(dāng)帷幕長度為20 m時，帷幕的滲透系數(shù)至少應(yīng)比河床覆蓋層的滲透系數(shù)小40倍；當(dāng)帷幕的長度為50 m時，帷幕的滲透系數(shù)至少應(yīng)比河床覆蓋層的滲透系數(shù)小100倍，否則帷幕失效。

2　西藏某水電站防滲帷幕優(yōu)化設(shè)計

2.1工程概況

西藏某水電站為引水式電站，工程主要任務(wù)是發(fā)電，兼顧生態(tài)放水。水庫正常蓄水位為3 425.00 m，死水位為3 422.00 m，水庫總庫容32.76×104m3，調(diào)節(jié)庫容11.63×104m3；首部樞紐建筑物最大壩高28 m，電站總裝機容量48 MW(3×16 MW)，年發(fā)電量2.84×108kW·h，保證出力4.4 MW，年利用小時5 916 h。根據(jù)《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)》[16](DL5180-2003)的規(guī)定，結(jié)合本工程裝機容量，確定本工程為四等小(1)型工程。

擋水建筑物采用土工膜防滲堆石壩，與上游圍堰結(jié)合，最大壩高28 m。上游壩坡在3 419.0 m以上坡比為1∶2.8，3 419.0 m～3 411.0 m之間坡比為1∶1.8，高程3 412.0 m以下坡度為1∶2.5。下游壩面3 411.0 m高程以上坡比為1∶1.8，在3 411.0 m高程設(shè)一條寬2 m的馬道，3 411.0 m高程以下坡比為1∶2。壩體下游采用貼坡排水。土工膜防滲結(jié)構(gòu)從上游至下游依次為預(yù)制混凝土、礫石保護(hù)層、復(fù)合土工膜、礫石墊層。壩內(nèi)設(shè)置有L型排水體，下游壩腳部位設(shè)置有貼坡排水，L型排水體與下游貼坡排水相接，豎向排水體和貼坡排水上游設(shè)反濾保護(hù)層，水平排水體底部基礎(chǔ)表面也設(shè)有反濾保護(hù)層，以防止壩體和壩基砂礫料中細(xì)顆粒流失。擬定的壩體基本斷面見圖1。工程區(qū)主要材料滲透系數(shù)如表2所示。

圖1左岸復(fù)合土工膜堆石壩標(biāo)準(zhǔn)剖面圖

表2　壩址區(qū)主要材料滲透系數(shù)

2.2防滲墻深度和厚度研究

該水電站工程首部樞紐基礎(chǔ)坐落在覆蓋層之上，覆蓋層厚度50 m～80 m。河床部分防滲體設(shè)計為：左岸土工膜防滲堆石壩基礎(chǔ)采用1 m厚的混凝土防滲墻，深入基巖1 m，壩體采用土工膜防滲。泄洪沖砂閘、排漂閘、取水口等混凝土建筑基礎(chǔ)防滲采用1 m厚的混凝土防滲墻，深入基巖1 m。根據(jù)防滲要求，需研究采用懸掛式混凝土防滲墻的可能性。

假設(shè)懸掛式混凝土防滲墻的深度分別取壩高1倍、壩高1.5倍和壩高2倍。由于大壩的設(shè)計壩高為28 m，因此，滲透水流由防滲墻上游河床繞過防滲墻底部到達(dá)下游河床的滲透路徑長度分別為56 m、84 m和112 m。正常蓄水位時上下游最大水頭差為20.14 m。因此，以上3個防滲墻深度對應(yīng)的河床覆蓋層的平均水力坡降分別為0.360、0.240和0.180，水力坡降均較大。

壩基砂礫石覆蓋層的滲透系數(shù)為5.51×10-5m/s，按以上水力坡降計算，壩前砂礫石覆蓋層中的最大滲流速度分別為1.98×10-5m/s、1.32×10-5m/s和0.99×10-5m/s；壩前單位平方米面積的砂礫石覆蓋層中的滲流量分別為0.0198 L/s、0.0132 L/s和0.0099 L/s。若考慮壩前砂礫石覆蓋層的總面積，總體滲流量均較大。

懸掛式混凝土防滲墻只能起到延長滲透路徑的目的，達(dá)不到截滲的效果，因此，即便防滲墻的深度較大，壩基的滲流速度和滲流量仍然較大。壩基砂礫石覆蓋層建議采用原設(shè)計防滲方案，即封閉式混凝土防滲墻。

深入基巖1 m，基巖滲透系數(shù)為5×10-7m/s，防滲墻底部繞滲速度：

vr=5.0×10-7×20.14/(1×2)=5.035×10-6m/s

防滲墻的滲透系數(shù)1.0×10-8m/s遠(yuǎn)小于覆蓋層5.51×10-5m/s和弱風(fēng)化基巖5.0×10-6m/s的滲透系數(shù)，1 m厚的防滲墻相當(dāng)于5 510 m厚度的覆蓋層的阻滲效果、相當(dāng)于500 m厚度的弱風(fēng)化基巖的防滲效果，因此，從滲控要求來說防滲墻的厚度可以設(shè)計很薄，其厚度應(yīng)根據(jù)受力要求確定。

2.3防滲帷幕水平長度和厚度研究

本工程左右兩岸基巖防滲采用水泥帷幕灌漿，在左、右岸壩肩各設(shè)一層帷幕灌漿硐，高程為3 427.00 m，均向岸里延伸50 m。帷幕灌漿硐斷面為城門洞型，襯砌后斷面為3.0 m×3.5 m。水泥灌漿帷幕采用單排孔，孔距2 m，平均孔深45 m。巖體相對隔水層透水率按5 Lu控制。根據(jù)防滲要求，需研究左右兩岸防滲帷幕灌漿區(qū)的長度范圍。

假設(shè)左右兩岸防滲帷幕灌漿區(qū)的水平長度分別為25 m、50 m、75 m和100 m，滲透水流水平繞過防滲帷幕左右端的繞滲路徑長度為以上水平長度的2倍，分別為50 m、100 m、150 m和200 m。左右兩岸壩肩弱風(fēng)化層的滲透系數(shù)為5.0×10-6m/s，微風(fēng)化基巖的滲透系數(shù)為1.0×10-6m/s，以上4種工況時兩種材料所占的面積比例按1∶1、1∶3、1∶5和1∶7考慮，壩基橫剖面圖如圖2所示，帷幕灌漿區(qū)的以上4種水平長度對應(yīng)的左右岸加權(quán)平均滲透系數(shù)分別為1.67×10-6m/s，1.25×10-6m/s，1.15×10-6m/s和1.11×10-6m/s。

圖2壩基橫剖面圖

因此，上下游水頭差為H深度處，以上4個帷幕灌漿水平長度對應(yīng)的兩岸平均水力坡降分別為0.02H、0.01H、0.0067H和0.005H；若帷幕上下游的最大水頭差按20.14 m考慮，則兩岸平均水力坡降分別為0.403、0.202、0.135和0.101?？梢姡瑢τ诳疾靸砂痘鶐r滲透穩(wěn)定性來說，水力坡降均較小。

帷幕上下游最大水頭差為H時，以上4個帷幕灌漿水平長度對應(yīng)的兩岸平均滲流速度分別為3.34×10-8Hm/s，1.25×10-8Hm/s，7.705×10-9Hm/s和5.55×10-9Hm/s；若帷幕上下游最大水頭差按20.14 m考慮，則兩岸平均滲流速度分別為6.73×10-7m/s，2.52×10-7m/s，1.55×10-7m/s和1.12×10-7m/s。

對灌漿帷幕的厚度也進(jìn)行研究：

灌漿帷幕設(shè)計采用單排孔，孔距2 m，帷幕厚度也為2 m。同時，對比研究帷幕采用雙排孔，厚度為4 m工況。灌漿帷幕的滲透系數(shù)為2×10-7m/s。則帷幕上下游最大水頭差為H時，穿過單排帷幕和雙排帷幕的滲流速度分別為1.0×10-7Hm/s和5.0×10-8Hm/s；若帷幕上下游最大水頭差按20.14 m考慮，則穿過單排帷幕和雙排帷幕的滲流速度分別為2.01×10-6m/s和1.01×10-6m/s。

由以上計算結(jié)果可見，若采用單排孔灌漿帷幕，穿過帷幕的滲流速度為2.01×10-6m/s，若雙排孔灌漿帷幕，此時穿過帷幕的滲流速度為1.01×10-6m/s；繞過水平長度為50 m的防滲帷幕的滲流速度為2.52×10-7m/s，說明水平長度為50 m的防滲帷幕已經(jīng)足夠長，超過此長度的帷幕是發(fā)揮不到防滲效應(yīng)的。建議采用雙排孔灌漿帷幕，水平防滲長度50 m即能滿足防滲要求。

2.4防滲帷幕垂直向深度研究

左右兩岸壩肩弱風(fēng)化層的滲透系數(shù)為5.0×10-6m/s，微風(fēng)化基巖的滲透系數(shù)為1.0×10-6m/s。帷幕底部滲透水流可以直接通過河床砂礫石覆蓋層進(jìn)入弱風(fēng)化基巖和微風(fēng)化基巖繞滲，最長滲透路徑可按5 m×2考慮，最大水頭差按20.14 m計算，則帷幕底部繞過弱風(fēng)化基巖和微風(fēng)化基巖的滲流速度分別為：

vr1=5.0×10-6×20.14/(5×2)=1.007×10-5m/s

vr2=1.0×10-6×20.14/(5×2)=2.014×10-6m/s

可見，帷幕底部的繞滲速度大于水平繞滲速度，且大于穿過帷幕的滲流速度，說明需要加強這一區(qū)域的滲控措施。

2.5防滲帷幕施工質(zhì)量控制

若防滲帷幕施工質(zhì)量較差，灌漿帷幕的滲透系數(shù)為2×10-6m/s。則帷幕上下游最大水頭差為H時，穿過單排帷幕和雙排帷幕的滲流速度分別為1×10-6Hm/s和0.5×10-6Hm/s；若帷幕上下游最大水頭差按20.14 m考慮，則穿過單排帷幕和雙排帷幕的滲流速度分別為2.014×10-5m/s和1.007×10-5m/s。

2.6防滲結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果分析

將以上解析法估算的各種工況時大壩關(guān)鍵部位的最大滲流速度匯總于表3，根據(jù)文中提出的防滲結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的“平衡防滲法”，原設(shè)計防滲體的薄弱防滲部位一目了然。由表3可見，采用任何深度的懸掛式防滲墻時防滲墻底部的繞滲速度都較大，說明必須采用封閉式防滲墻，封閉式防滲墻應(yīng)該深入基巖。深入基巖1 m，防滲墻底部繞滲速度為5.035×10-6m/s?；炷练罎B墻厚度在滿足應(yīng)力要求作用下可取為1 m，穿過防滲墻的滲流速度為2.01×10-7m/s。兩岸帷幕水平長度可以取50 m，兩岸平均滲流速度2.52×10-7m/s。帷幕底部的弱風(fēng)化基巖區(qū)是一個防滲薄弱區(qū)，帷幕底部的繞滲速度為1.007×10-5m/s，應(yīng)該加強這一區(qū)域的防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計；當(dāng)帷幕施工質(zhì)量較差，穿過帷幕的滲流速度也較大，應(yīng)該保證帷幕的施工質(zhì)量。

表3　解析估算的大壩關(guān)鍵部位的最大滲流速度

以上依據(jù)防滲帷幕結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的“平衡防滲法”，即在滿足滲透穩(wěn)定的前提下，要求工程區(qū)各部位的滲流得到平衡控制，既不能形成主滲流通道，也不能在某個部位防滲過當(dāng)，達(dá)到全局最優(yōu)的方法，對西藏某水電站工程首部樞紐防滲結(jié)構(gòu)包括防滲墻深度和厚度、防滲帷幕的水平長度垂直深度和厚度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計研究，對原設(shè)計防滲方案提出了以下優(yōu)化設(shè)計建議：

(1)建議采用封閉式混凝土防滲墻，防滲墻的深度應(yīng)該“深入基巖1 m”。

(2)建議弱風(fēng)化巖區(qū)采用雙排孔灌漿帷幕，帷幕深入兩岸山體的水平長度建議為進(jìn)入微風(fēng)化巖體25 m(水平防滲深度為50 m)，超過此長度的帷幕是發(fā)揮不到防滲效應(yīng)的。

(3)建議增加弱風(fēng)化層中的灌漿帷幕深度，即帷幕在垂直方向穿透弱風(fēng)化層。

(4)帷幕是防滲結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，穿過帷幕的滲流速度相對也較大，因此，應(yīng)保證帷幕的施工質(zhì)量。

3　三維有限元滲流計算驗證

研究非穩(wěn)定滲流問題需要求解非穩(wěn)定滲流場，也就是要對方程(5)[17-18]進(jìn)行有限元求解。

(5)

式中：kx,ky,kz分別為x,y,z方向上的滲透系數(shù)；Ω為滲流區(qū)域；Γ1為水頭邊界；Γ2為流量邊界；q為邊界法向流量；H0為初始時刻的水頭值；H1為邊界水頭；μs為貯水率。本文研究內(nèi)容屬于三維各向同性穩(wěn)定滲流問題，只需令方程(5)中的貯水率為0，且各向滲透系數(shù)相等。

利用Seep-3d有限元分析軟件，建立三維有限元模型如圖3，計算邊界施加如圖4，河道內(nèi)全部為指定水頭邊界條件，其中上游水頭為正常蓄水位3 425.00 m，下游水頭高度為3 404.86 m；模型底部為不透水邊界；根據(jù)河床的排滲條件決定計算模型兩側(cè)的滲透邊界條件，依據(jù)工程地質(zhì)報告，兩岸山體受大氣降水向河內(nèi)排泄，計算中模型的左右兩側(cè)設(shè)為不透水邊界。有限元網(wǎng)格劃分如圖5，計算中采用八面體等參數(shù)單元網(wǎng)格，整個模型共劃分出節(jié)點數(shù)198 352個，單元數(shù)為210 625個。對防滲帷幕取不同深度、長度以及厚度進(jìn)行計算，計算工況如下。

工況1：設(shè)計防滲方案，混凝土防滲墻深度按入巖1 m、左右岸防滲帷幕向岸里延伸50 m。壩體防滲土工膜均按實際設(shè)計尺寸，大壩蓄水至正常蓄水位3 425.00 m，壩后水位為3 404.86 m。

圖3大壩滲流計算模型及材料分區(qū)

圖4計算邊界施加示意圖

圖5三維滲流計算網(wǎng)格劃分圖

工況2～工況4：懸掛式混凝土防滲墻深度分別取1倍壩高、1.5倍壩高、2倍壩高，其它計算參數(shù)同工況1的滲流計算。

工況5～工況7：混凝土防滲墻深度按入巖1 m，左右岸防滲帷幕分別向岸里延伸25 m、75 m、100 m，其它計算參數(shù)同工況1的滲流計算。

各工況計算結(jié)果見表4、表5。工況1計算的一個水平剖面和順河剖面處的水頭和水力坡降分布如圖6～圖9所示，由圖可以看出，水頭等值線分布均勻，符合常規(guī)規(guī)律，各部位的水力坡降較小，均可滿足設(shè)計要求。說明采取優(yōu)化設(shè)計方案在滲流量控制和滲透坡降控制方面均能夠滿足滲透穩(wěn)定的要求。

工況2～工況4由于采取懸掛式混凝土防滲墻，計算的總體滲流量均較大，原因是懸掛式混凝土防滲墻只能延長滲透路徑，沒有達(dá)到截滲的目的，而且堆石壩下游坡腳處的水力坡降也較大，不利于壩坡穩(wěn)定。

表4　各種工況的滲透流量　單位：L/s

表5　壩體內(nèi)各關(guān)鍵部位的最大水力坡降

圖6高程3398m水頭等值線圖

圖7高程3398m處水力坡降等值線圖

工況5計算的滲流量較優(yōu)化設(shè)計方案有所增大，堆石壩下游坡腳處的水力坡降較小，能滿足滲透穩(wěn)定要求。工況6、工況7計算的滲流量較優(yōu)化設(shè)計方案有所減小，但減小幅度不大，堆石壩下游坡腳處的水力坡降較小，能滿足滲透穩(wěn)定要求。因此，左右岸防滲帷幕入巖深度確定為50 m比較合適，即優(yōu)化設(shè)計方案。

圖8順河剖面的水頭等值線圖

圖9順河剖面的水力坡降等值線圖

4　結(jié)　語

本文運用“平衡防滲法”，即依據(jù)滲漏量和允許水力坡降的控制標(biāo)準(zhǔn)確定防滲帷幕深度，再依據(jù)繞過兩岸帷幕的滲流速度等于繞過壩基河床下帷幕的滲流速度確定防滲帷幕長度，依據(jù)穿過帷幕的滲流速度等于繞過壩基河床下帷幕的滲流速度確定防滲帷幕的厚度，對西藏某水電站工程首部樞紐攔河壩不同防滲方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，認(rèn)識到防滲帷幕的設(shè)計應(yīng)該保證工程區(qū)各部位的滲流得到平衡控制，既不能形成主滲流通道，也不能在某個部位防滲過當(dāng)，達(dá)到全局最優(yōu)的方法。最后，通過三維有限元軟件的計算結(jié)果分析，驗證了 “平衡防滲法”結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

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StudyonOptimizedDesignofAHydropowerStationinTibetBasedonEquilibriumSeepagePrevention

DANG Fa-ning1,XIONG Lu1,WANG Zhen-hua1,2,TIAN Hong-mei1

(1.InstituteofGeotechnicalEngineering,Xi'anUniversityofTechnology,Xi'an,Shaanxi710048,China；2.NorthwestElectricPowerDesignInstituteofChinaPowerEngineeringConsultingGroup,Xi'an,Shaanxi710075,China)

Abstract：The impervious curtain in different seepage zone is designed based on the idea of equilibrium seepage prevention,which is,the depth of the impervious curtain is determined firstly by the critical values of the leakage and the permitted hydraulic slope.And then,on the condition that the velocity of the seepage flow around the two sides of the banks and dam foundation is equivalent,the extension length of the impervious curtain can be determined.Finally,the thickness of the impervious curtain can be determined by assuming the velocity of the seepage flow though the impervious curtain is equivalent to that of around the dam foundation.As a result,excessive or insufficient anti-seepage design of the impervious curtain can be avoided,so as to reach the global optimum.A Hydropower Station in Tibet was taken as an example of optimizing the design of different impervious programs in different seepage zones.According to the result of a three-dimensional finite element analysis,the reliability of the structure design based on equilibrium seepage prevention was verified.The results of this study provides reference not only to the impervious program modification of the existing dam,but also to the design of impervious curtains of similar embankment dams.

Keywords：impervious curtain;seepage flow velocity;optimized design

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.001

中圖分類號：TV223.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672—1144(2014)06—0001—08

作者簡介：黨發(fā)寧(1962—)，男，陜西富平人，教授，主要從事巖土計算力學(xué)方面的教學(xué)與科研工作。

基金項目：陜西省黃土力學(xué)與工程重點實驗室重點科研計劃項目(09JS103)；水利部公益性行業(yè)科研專項(201201053-03)

收稿日期：2014-05-09修稿日期：2014-06-27