混凝土壩壩基排水孔間距對(duì)滲流場的影響數(shù)值分析

焦曉帆

（陜西省寶雞峽引渭灌溉管理局 陜西 咸陽 712000）

對(duì)于建于基巖上的混凝土壩，壩基的滲流控制是其中一個(gè)關(guān)鍵問題，壩基滲流控制不合理往往造成較大的水量滲漏甚至影響大壩安全[1]?；炷翂误w往往設(shè)置排水廊道和排水孔來排出多余的滲水，而對(duì)于壩基的防滲措施較為復(fù)雜。混凝土壩壩基中一般采用上游帷幕作為主要的防滲措施，在帷幕下游側(cè)設(shè)置相應(yīng)的排水孔幕，同時(shí)在壩基中再設(shè)置若干道排水廊道以及相應(yīng)的排水孔幕，有的工程還在下游側(cè)設(shè)置消力戽并在消力戽中設(shè)置小范圍帷幕和排水孔幕[2]。在壩基中設(shè)置排水孔幕是為了排出滲水量，減小壩基揚(yáng)壓力，保證壩基安全穩(wěn)定。目前，排水孔的間距一般取為2m～5m[3]，不同的排水孔間距將取得不同的排水減壓效果，本文建立滲流計(jì)算整體有限元模型，在建立起混凝土壩壩基完整的防滲系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，分析不同排水孔間距對(duì)壩基滲流控制效果的影響，為壩基排水孔間距的設(shè)置提供一定的參考。

1 排水孔的模擬方法

在壩基廊道底部或頂部通常布置有密集的排水孔。排水孔孔徑一般只有10cm左右，間距也只有2m～6m，但其空間分布卻達(dá)數(shù)百米[4]。排水孔在滲流場中直接將地下水排至滲流域以外，對(duì)水頭分布的影響極大，往往能對(duì)工程的滲流特性及滲控設(shè)計(jì)起到關(guān)鍵性的控制作用。排水孔的內(nèi)部邊界在滲流場中是可能逸出面，排水孔的滲流行為在算法上可分為兩種情況來分析，一種是排水孔穿過滲流自由面，另一種是排水孔不與自由面相交。當(dāng)穿過自由面時(shí)，排水孔內(nèi)邊界面滲流自由面以上的孔段為不透水邊界，滲流自由面以下排水孔內(nèi)水位以上的邊界面為逸出面，位于孔內(nèi)水位以下的邊界面為已知水頭邊界。當(dāng)排水孔不與自由面相交位于自由面以上時(shí)為不透水邊界，位于自由面以下時(shí)為已知水頭邊界。本文采用真實(shí)模擬排水孔位置而忽略其尺寸效應(yīng)的方法模擬排水孔的作用，將排水孔作為有限元網(wǎng)格位于一條線上給定水頭的若干節(jié)點(diǎn)處理，通過多次迭代計(jì)算，確定最終需要施加給定水頭的節(jié)點(diǎn)。這種方法使網(wǎng)格剖分和排水孔邊界處理等過于復(fù)雜的問題得以解決，在處理數(shù)量巨大密集的排水孔時(shí)，是一種較簡單和方便的方法。這種方法雖然忽略了孔徑大小的影響，但在孔徑與單元網(wǎng)格間距相對(duì)比較小時(shí)，可以取得精確的結(jié)果[5-6]。

2 滲流場有限元模型

2.1 工程概況

某水電站以發(fā)電為主，水庫正常蓄水位1906.0m，相應(yīng)庫容2.65億m3，電站裝機(jī)容量1280MW。該工程為二等大（2）型工程，擋水、泄洪、引水及發(fā)電等永久性主要建筑物為2級(jí)建筑物，次要建筑物為3級(jí)建筑物。攔河大壩為碾壓混凝土重力壩，大壩從左岸到右岸分別布置有左岸擋水壩段、左岸泄洪底孔、泄洪表孔、右岸泄洪底孔、右岸擋水壩段。壩頂高程1909.50m，建基面高程1772.00m，最大壩高137.5m。大壩壩頂長度245.00m，壩頂寬度10.0m，壩底最大寬度為99.0m。壩體斷面上游面垂直，下游坡比為1：0.72。根據(jù)工程的特點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)壩基防滲工程措施，概述如下：采用上、下游雙排防滲帷幕及排水幕，壩內(nèi)設(shè)排水廊道，通過集水井和抽排措施降壓。壩基設(shè)兩道帷幕，上游一側(cè)帷幕深度要求進(jìn)入相對(duì)不透水層（q＜1Lu）5m。帷幕深度多在50m～115m之間，帷幕最大深度126.4m。防滲帷幕由2排灌漿孔組成，孔間距2m，排間距1.5m；下游側(cè)單排帷幕深度約為30m?；A(chǔ)灌漿排水廊道，高于基巖面3m～5m，帷幕后設(shè)主排水幕，排水孔孔深20m～25m，向下游傾斜15°。壩下0+030.50m設(shè)第一排水幕，直孔，孔深20m；壩下0+060.50m設(shè)第二排水幕，直孔，孔深20m；壩下0+088.00m設(shè)下游基礎(chǔ)灌漿排水廊道（僅河床泄水壩段），分別在左、右底孔兩側(cè)通過擋墻進(jìn)入左右岸帷幕灌漿洞，形成下游防滲帷幕和排水幕，排水孔向上游傾斜15°，孔深20m。

2.2 有限元模型

根據(jù)工程特點(diǎn)建立三維滲流分析模型，分析壩基排水孔間距對(duì)壩基滲流場的影響。滲流計(jì)算模型向上游取3倍壩高，向下游取4.5倍壩高，壩基取2.3倍壩高。計(jì)算模型包含河床覆蓋層、強(qiáng)風(fēng)化層、弱風(fēng)化層、強(qiáng)卸荷帶、弱卸荷帶、完整基巖。模型大小為1006 m×900m×694m(長×寬×高)，對(duì)排水孔部位進(jìn)行重點(diǎn)剖分，共剖分48566個(gè)結(jié)點(diǎn)，左岸基巖單元36795個(gè)，右岸基巖單元55783個(gè)，卸荷層單元8945個(gè)，風(fēng)化層單元9949個(gè)，覆蓋層單元1250個(gè)。鉆孔處為第一類（已知）水頭邊界，水頭為斷面上鉆孔地下水位，模型最左右兩邊不處于地下分水嶺的面，為第一類（已知）水頭邊界，水頭為已知（預(yù)測）水位線高程，模型最左右兩邊處于地下分水嶺的面及其他表面（包括實(shí)測浸潤面）為第二類（已知流量）邊界，通過這些面的滲流量為零。壩體取計(jì)算幾何模型如圖1所示。

圖1 防滲系統(tǒng)幾何模型

表1 材料計(jì)算參數(shù)

表2 各工況不同部位滲流量

圖2 大壩最大剖面水頭等值線（單位：m）

本文采用真實(shí)模擬排水孔位置而忽略其尺寸效應(yīng)的方法模擬排水孔的作用，將排水孔作為有限元網(wǎng)格位于一條線上給定水頭的若干節(jié)點(diǎn)處理，通過多次迭代計(jì)算確定最終需要施加給定水頭的節(jié)點(diǎn)。通過多次試算，在浸潤線以下的排水孔節(jié)點(diǎn)施加其相應(yīng)的位置水頭，模擬透水邊界。

2.3 計(jì)算參數(shù)和工況

模型中大壩和帷幕的滲透系數(shù)分別取為1×10-10m/s和1×10-8m/s，其它部位的參數(shù)均根據(jù)實(shí)際工程資料反演獲得，如表1所示。本文進(jìn)行排水孔間距為2m、3m、4m三種工況的穩(wěn)定滲流場計(jì)算。

3 結(jié)果分析

本文的滲流分析是在正常蓄水位下，防滲帷幕、排水系統(tǒng)正常工作時(shí)，考慮不同壩基和消力戽排水孔間距下的穩(wěn)定滲流場。上游水位為1906m，下游水位為1814.86m。計(jì)算壩基排水孔間距為2m和4m工況下，大壩最大剖面水頭等值線如圖2所示。

工程防滲、排水系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，對(duì)壩基排水孔、壩體下游消力戽排水孔不同間距情況下的穩(wěn)定滲流場進(jìn)行比較。由子工況1、2、3的結(jié)果可知，不同排水孔間距下，上游水位變化不明顯。排水孔越密時(shí)，壩基因?yàn)榧哟笈潘酌芏龋沟脡位潘芰υ鰪?qiáng)，加大了大壩下游附近水頭消減的作用，這對(duì)減小廠房區(qū)和壩址區(qū)的水頭是有利的。由圖2可以看出，壩基排水孔、壩體下游消力戽排水孔間距對(duì)滲流場的水頭分布影響很小，壩體和地基中水頭線的分布基本一致，主要在排水孔和排水廊道附近產(chǎn)生一定的差異，其它斷面的水頭等值線也呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，說明壩基和消力戽中的排水孔間距對(duì)壩體和壩基的水頭等值線影響并不明顯。

排水孔間距為2m和4m時(shí)，河床段帷幕滲透坡降為18.8和17.6左右，帷幕后河床段壩基揚(yáng)壓力沿河水流向由大到小變化，壩基揚(yáng)壓力無明顯變化?？梢?，將壩基排水孔、壩體下游消力戽排水孔間距由3m調(diào)整為2m或4m，對(duì)壩址區(qū)整體滲流場及壩基揚(yáng)壓力影響不明顯。排水孔間距對(duì)帷幕以及壩基接觸部位水力坡降、對(duì)壩基揚(yáng)壓力分布影響也不明顯，只在排水孔部位產(chǎn)生一定的影響，其中較小的排水孔間距會(huì)引起較大的水力坡降。

表2為三種排水孔間距下各部位排出水量的比較表。由表可知，排水孔間距較小時(shí)，各部位所排出滲流量相應(yīng)較大，但是滲流量增加得并不明顯，排水孔間距2m相對(duì)于4m時(shí)，壩基和消力戽滲流量只分別增加了5.7%和7.0%。說明排水孔間距對(duì)排水量的影響也不明顯。

4 結(jié)論

本文在系統(tǒng)分析地質(zhì)和水文地質(zhì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)工程資料建立樞紐區(qū)三維模型，采用有限元方法分析排水孔間距對(duì)滲流場的影響。不同排水孔間距情況下，間距為2m時(shí)排水和消殺水頭作用更為明顯，河床段壩基揚(yáng)壓力大小也有一定減小，但在不同間距情況下，滲流場結(jié)果差異并不大。因此，將壩基排水孔、壩體下游消力戽排水孔間距由3m調(diào)整為2m或4m時(shí)，對(duì)壩址區(qū)整體滲流場、壩基揚(yáng)壓力以及滲流量的影并響不明顯。在進(jìn)行壩基內(nèi)的排水孔間距設(shè)計(jì)時(shí)，可以適當(dāng)取較大值。陜西水利

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