某面板壩垂直縫止水失效對滲流場的影響分析

呂高峰，周建波，朱錦杰，王玉潔

（國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，310014）

某面板壩垂直縫止水失效對滲流場的影響分析

呂高峰，周建波，朱錦杰，王玉潔

（國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江杭州，310014）

某面板堆石壩滲漏量明顯大于其他同類工程，經(jīng)水下檢查發(fā)現(xiàn)，面板垂直縫張拉止水失效。為了解止水失效后滲流場的情況，運用有限元計算分析面板出現(xiàn)裂縫破損的滲流場，為工程后期運行提供參考性意見。

面板堆石壩；垂直縫；止水失效；滲流場

0 前言

面板堆石壩是一種比較經(jīng)濟的壩型，是我國壩工設(shè)計中最具比選的壩型之一。面板是面板壩最為重要的防滲結(jié)構(gòu)，面板接縫的止水效果直接影響大壩的運行。某面板堆石壩因滲漏量明顯大于其他同類工程，經(jīng)水下檢查發(fā)現(xiàn)右岸垂直縫出現(xiàn)張拉破損，庫水通過垂直縫進入壩體內(nèi)部。為了解垂直縫破損后面板壩的滲流場情況，建立有限元模型，通過加密網(wǎng)格的方法模擬垂直縫破損的工況，分析垂直縫破損對滲流場的影響。

1 工程概況

某混凝土面板堆石壩，壩頂長305 m，壩頂寬8m，壩頂高程618.00 m，防浪墻頂高程619.20 m，趾板開挖最低高程為556.5 m，最大壩高61.5 m。上、下游壩坡均采用1∶1.4。在下游壩坡598.00 m高程設(shè)一條2.0 m寬的馬道。上游壩前覆蓋料區(qū)坡度為1∶2.5，頂部高程585.00 m，頂寬為6 m。

圖1是壩體典型斷面材料分區(qū)圖。壩體從上游向下游依次分為：面板上游面，下部為粉砂或粉土鋪蓋（1A）及石渣蓋重區(qū)（1B），即在上游壩面高程585.00 m高程以下設(shè)置粉砂粉土、粘土、粉煤灰鋪蓋及石渣鋪蓋，頂部1A與1B區(qū)合置頂部寬度為6.0m，上游坡1∶2.5。墊層區(qū)（2A）等厚水平寬度3.0m，上、下游坡1∶1.4；特殊墊層區(qū)（2B）布設(shè)于河床趾板、連接板下部及周邊縫下游側(cè)，趾板、連接板下部鋪設(shè)厚度為0.5 m，周邊縫下游4.0 m范圍；過渡層區(qū)（3A）水平寬度為6.0 m，上下游坡1∶1.4；主堆石區(qū)（3B、3C1）位于過渡料區(qū)下游，上游坡1∶1.4，3B區(qū)位于河床中部寬度50.0 m、高程567.50 m以下部位，3C1區(qū)位于河床堆石料3B區(qū)兩側(cè)，兩側(cè)以1∶1坡比與3B區(qū)連接，由3A區(qū)過渡料與3B主堆石區(qū)構(gòu)成“L”型，即垂直與水平相接的排水區(qū)；次堆石區(qū)（3C）為軟巖堆石料區(qū)，3C為壩體高程567.50 m以上下游干燥區(qū)；下游壩坡（3P）為厚度不小于1 m的干砌塊石護坡。

圖1 壩體典型斷面圖Fig.1 Typical section of dam

河床沖積層厚度一般為13～18 m，由砂、卵、礫石混漂石組成，略具成層性。河床部位壩基下伏基巖為T3l-3層，以軟弱的泥質(zhì)巖為主，夾少量堅硬的砂巖，基巖風化甚淺，沖積層下即為弱～微風化巖體，弱風化巖體厚4～12 m。壩體及河床沖積層防滲系統(tǒng)由壩基防滲墻、連接板、趾板、面板、防浪墻構(gòu)成。河床趾板建于砂卵礫石覆蓋層上，通過連接板與混凝土防滲墻連接，防滲墻底部進行帷幕灌漿。

2 面板垂直縫破損與滲水情況

2.1 滲漏情況

水庫蓄水后不久，壩后坡腳出現(xiàn)數(shù)個出水點，滲漏量較小。電站投產(chǎn)發(fā)電以來，壩后坡腳滲水量也相應(yīng)增加。通過量水堰定量觀測，最大滲漏量達到230 L/s，且與庫水位具有較好的相關(guān)性，滲漏量較國內(nèi)同類工程明顯偏高。

2.2 面板破損情況

由于該面板堆石壩壩后量水堰總滲流量較國內(nèi)同類型壩偏高，組織潛水員對其進行水下檢查。檢查發(fā)現(xiàn)21號、22號、23號、24號面板間垂直縫605 m高程以下的滲漏現(xiàn)象較為嚴重，呈現(xiàn)長2～15 m不等的連續(xù)滲漏帶。由于水下檢查無法確定滲漏量級，無法確定由面板接縫滲漏引起的總滲漏量，因此進行有限元計算。

3 有限元計算

為了解面板垂直縫破損對壩體滲流場的影響，建立有限元模型進行模擬分析。

3.1 計算理論

對于服從達西定律的飽和-非飽和土，其三維穩(wěn)定滲流問題的基本控制方程為：

式中：kx、ky、kz分別是滲透系數(shù)在三個滲透方向上的主滲透系數(shù)；H為總水頭。

邊界條件如下：（1）給定壓力水頭H0:H=H0；（2）不透水邊界：滲出面：H(x,y,x)=x(x,y)。其中n是邊界的外法線方向。

3.2 計算網(wǎng)格及參數(shù)

有限元網(wǎng)格如圖2所示。建模選取河谷中間覆蓋層最深處的典型斷面，網(wǎng)格區(qū)域包括壩軸線上游360 m到壩軸線下游335 m，壩軸線總長24 m，面板寬12 m，模型橫河向正中間包含一條垂直縫，在高程方向，網(wǎng)格從壩頂高程618 m到基巖高程334 m，包含所有覆蓋層和風化層。

網(wǎng)格中模擬的破損垂直縫位置與水下檢查的結(jié)果基本一致，模擬一條16.8 m長的破損的垂直縫。建模時對垂直縫破損部位的網(wǎng)格進行加密。

圖2 有限元網(wǎng)格Fig.2 Finite element mesh

計算參數(shù)依照該工程可研階段設(shè)計單位提供的參數(shù)，計算參數(shù)如表1所示，完好的垂直縫為不透水邊界，破損的垂直縫作為透水邊界。

表1 材料滲透系數(shù)Table 1 Seepage parameter of each material

3.3 計算方案

計算分別考慮垂直縫完好與垂直縫破損的情況。因垂直縫的縫寬是未知的，所以計算中考慮不同縫寬的影響。各計算方案中，上游水位均為正常蓄水位614 m，下游水位為量水堰堰池水位560 m。計算方案如表2所示。

表2 計算方案Table 2 Calculation scheme

3.4 計算結(jié)果分析

3.4.1 浸潤線與等勢面

圖3是方案一有限元計算得到的模型正中間剖面（A-A剖面）的水頭等勢線和浸潤線圖。浸潤線從上游正常蓄水位在面板中急劇降低，在主堆石料中幾乎呈水平狀，在下游壩坡溢出，浸潤線在墊層中的最高位置為560.99 m。水頭等勢線圖在面板、趾板和防滲墻處較為密集，說明水頭主要由面板、趾板和防滲墻消耗，防滲系統(tǒng)起到了很好的防滲作用。

圖3 方案一水頭等勢線和浸潤線Fig.3 Waterhead contour line and saturation line of Scheme1

方案二～方案五在同一剖面（A-A剖面）水頭分布規(guī)律上與方案一整體上較為接近，區(qū)別主要在于水頭在面板破損垂直縫部位附近的分布規(guī)律。圖4是方案一和方案五破損垂直縫剖面（A-A剖面）的水頭等勢線圖。其中圖4（a）是方案一面板的水頭等值線圖，從圖中可以看出，水頭在面板內(nèi)部逐步折減。圖4（b）是方案五的面板水頭等值線圖，可以看出沿面板厚度方向水頭與庫水位一致，水頭在墊層內(nèi)逐步減小，在面板垂直縫破損的條件下，墊層起到了很好的滲控作用。方案二～方案四和方案五在面板墊層部位的水頭等值線分布上整體較為接近。

圖4 方案一和方案五水頭等勢線圖Fig.4 Waterhead contour line of Scheme 1 and Scheme 5

圖5分別是方案一和方案五在壩軸向（B-B剖面）面板和墊層內(nèi)水頭的等勢線圖，圖6是方案二～方案五壩軸向不同位置過渡層承擔的水頭差隨離縫隙中心距離增加的變化曲線。從圖中可以看出，垂直縫破損后，墊層起到了很好的防滲作用，承擔了主要的滲漏水頭。破損垂直縫下部，水頭受破損垂直縫影響最大，承擔的水頭最大，距破損垂直縫越遠，破損的垂直縫對水頭等勢線影響越小，承擔的水頭越小。方案二～方案四和方案五在水頭等值線分布上整體較為接近，區(qū)別在于隨著破損縫寬的增大，水頭影響區(qū)域在增大，相同部位墊層承擔的水頭增大。方案五離縫隙中心距離0 m墊層承擔的水頭小于另外幾種方案，主要因為方案五的裂縫寬度最大，部分水頭由過渡層承擔。

圖5 方案一和方案五壩軸向面板和墊層內(nèi)水頭等勢線圖Fig.5 Waterhead contour line in concrete face and cushion lay?er of Scheme 1 and Scheme 5

方案二～方案五浸潤線與方案一在整體上較為接近，主要區(qū)別為墊層中浸潤線位置有所不同。表3是方案一～方案五浸潤線在墊層中最高位置的統(tǒng)計表。由表可知：垂直縫破損后，浸潤線在墊層內(nèi)的最高位置抬高1 m多，且隨裂縫寬度增大而增大，但增大速率隨縫寬增大而減小。

圖6 方案二～方案五墊層區(qū)水頭損失與距裂縫距離的關(guān)系Fig.6 Relationship between head loss and distance from crack in cushion layer of Scheme 2～5

表3 浸潤線在墊層中最高位置統(tǒng)計表Table 3 The highest position of saturation line in cushion layer of each scheme

3.4.2 滲透坡降

圖7分別是方案一和方案五面板（C-C剖面）的滲透坡降等值線圖。由圖可知，面板完好情況下，面板的滲透坡降與面板所在高程有關(guān)，面板頂部因水頭不大，滲透坡降較小，面板底部因壓重區(qū)存在，滲透坡降也不大。面板垂直縫破損后，垂直縫附近面板的滲透坡降減小，隨著與垂直縫距離的增大，滲透坡降增大，遠離破損的垂直縫處，滲透坡降變化不大。

圖7 方案一和方案五面板滲透坡降等值線圖Fig.7 Contour line of seepage gradient in concrete face of Scheme 1 and Scheme 5

圖8是方案五破損垂直縫下墊層的滲透坡降等值線圖，由圖可知，面板垂直縫破損后，墊層的滲透坡降與面板的滲透坡降呈現(xiàn)相反的規(guī)律，靠近裂縫部分的墊層滲透坡降增大，遠離破損垂直縫的墊層滲透坡降較小。有限元計算得到的滲漏量與總滲漏量比，所占比例較小，不是主要滲漏量。

圖8 方案五墊層內(nèi)滲透坡降等值線圖Fig.8 Contour line of seepage gradient in cushion layer of Scheme 5

3.4.3 滲漏量

五種工況下的總滲漏量如圖9所示?？紤]垂直縫破損后，滲流量明顯增大，1 mm的縫寬較完好情況下增大了5.4 L/s，且隨著縫寬的增大而增大，但滲漏量增大的速率隨縫寬的增大而減小。面板垂直縫破損后，墊層起到了很好的防滲作用，將墊層的滲透系數(shù)降到一定程度具有重要作用。

圖9 不同縫寬條件下滲漏量分布圖Fig.9 Distribution of leakage with different crack widths

4 結(jié)語

以某面板堆石壩的垂直縫破損為例，計算并對比分析了面板垂直縫完好情況和垂直縫破損不同縫寬條件下的滲流場，得出了以下幾點結(jié)論：

（1）面板垂直縫破損后，在設(shè)計施工滿足規(guī)范條件下，墊層能起到很好的滲控作用，壩體水頭等值線和浸潤線在垂直縫破損條件下的分布規(guī)律與面板垂直縫完好條件下差別不大。

（2）墊層內(nèi)水頭受破損垂直縫的影響，影響程度與距破損垂直縫距離相關(guān)，距離越遠，破損的垂直縫對水頭等勢線影響越小，但隨著破損縫寬的增大，水頭影響區(qū)域在增大。

（3）面板垂直縫破損會增大墊層內(nèi)浸潤線的最高位置，且浸潤線在墊層內(nèi)的最高位置隨裂縫寬度增大而增大，但增大速率隨縫寬增大而減小。

（4）面板垂直縫破損后，垂直縫附近面板的滲透坡降減小，隨著與垂直縫距離的增大，滲透坡降增大，遠離破損垂直縫處，滲透坡降與垂直縫完好情況下基本一致，墊層的滲透坡降與面板的滲透坡降呈現(xiàn)相反的規(guī)律，靠近裂縫部分的墊層承受的水頭增大，遠離破損垂直縫的墊層承擔的水頭較小。

（5）垂直縫破損后，滲流量明顯增大，且隨著縫寬的增大而增大，但滲漏量增大的速率隨縫寬的增大而減小。有限元計算得到的滲漏量與總滲漏量比，所占比例較小，不是主要滲漏量。

在垂直縫完好條件下，面板承受了絕大部分滲透坡降，面板及其接縫的設(shè)計是相當重要的，在面板垂直縫出現(xiàn)問題的條件下，要重點驗算墊層的滲透穩(wěn)定性，做好反濾設(shè)計。 ■

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作者郵箱：lv_gf2@ecidi.com

Influence analysis of waterstop failure of vertical joint on seepage field of a CFRD

by LV Gaofeng,ZHOU Jian-bo,ZHU Jin-jie and WANG Yu-jie
Large Dam Safety Supervision Center of National Energy Administration

The leakage of a CFRD was significantly higher than similar projects.The waterstop failure of vertical joint was found by underwater inspection.In order to study seepage field after waterstop failure and provide reference for engineering operation,the finite element method was applied to calculate and analyze seepage field.

CFRD;vertical joint;waterstop failure;seepage field

TV640.34

B

1671-1092（2016）05-0036-05

2014-06-25

呂高峰（1987-），男，浙江臨安人，工程師，主要從事大壩安全監(jiān)測和土石壩及巖土工程數(shù)值計算工作。