雙河水庫復(fù)合土工膜防滲特性分析

陳志惠

雙河水庫復(fù)合土工膜防滲特性分析

陳志惠

（新疆阜康市水利管理總站上戶溝水管所，新疆阜康831500）

以新疆雙河水庫為例，運用數(shù)值模擬軟件SEEP/W建立有限元模型，模擬壩體在鋪設(shè)土工膜前后浸潤線的變化情況以及土工膜施工缺陷對壩體滲流的影響，并將數(shù)值模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進行比較分析。結(jié)果顯示，模擬計算結(jié)果與實測數(shù)值之間有較高的吻合度，壩體滲流情況得到明顯改善，鋪設(shè)土工膜后浸潤線降低了4.0m左右，溢出點坡降和平均坡降下降明顯，表明壩體防滲加固方案與數(shù)值模擬方法均可行、有效。

雙河水庫；土工膜；防滲特性

雙河水庫位于新疆阜康市滋泥泉子鎮(zhèn)雙河村境內(nèi)，是一座以灌溉為主的平原注入式水庫，屬Ⅳ等小（1）型水庫。水庫原設(shè)計控制灌溉面積2.0萬畝，但由于初期設(shè)計不夠規(guī)范以及后期缺乏有效的管理維護，致使現(xiàn)狀水庫保灌面積僅為1.0萬畝，屬于病險水庫，防洪能力嚴重不足。結(jié)合雙河水庫項目區(qū)土料少、砂礫料豐富的特性，并考慮工程地質(zhì)條件以及水庫整體防滲的需要，采用土工膜+砂殼的防滲形式，形成閉合的防滲體系。

1 水庫土工膜防滲特性分析

以雙河水庫地質(zhì)情況為基礎(chǔ)，結(jié)合上述設(shè)計庫盤防滲加固方案，運用SEEP/W軟件建立滲流分析模型如圖1所示。模型建立過程中，通過等效替換的方式對土工膜厚度與滲透系數(shù)進行同步擴大，以提升計算結(jié)果的準確度[1-3]。

圖1 土工膜滲流分析模型

1.1 非飽和區(qū)域變化情況

當(dāng)庫水位與下游水位分別為22.50m和13.00m，通過飽和、飽和-非飽和兩種滲流分析方法對水庫滲流量進行計算[4-5]。運用飽和滲流計算方法計算得到單寬滲流量為0.43 m3/(s.m)，壩體溢出點高程為14.21 m，浸潤線坡降0.19。運用飽和-非飽和滲流計算方法計算得到單寬滲流量為0.51 m3/(s.m)，壩體溢出點高程為14.95 m，浸潤線坡降0.18。而如果忽略非飽和區(qū)域的影響，溢出點高程下降了近0.74 m，浸潤線較實際下降0.80 m，單寬流量下降約15.7%。土工膜施工后，壩體非飽和區(qū)域增加明顯，因此，模擬需采用飽和-非飽和滲流微分方程[6]。

1.2 浸潤線變化情況

雙河水庫圍壩土質(zhì)條件較為均勻，選擇設(shè)有滲壓井的一處典型斷面（樁號0+050）進行滲流分析。滲流計算工程有種，即工況一：壩體無防滲；工況二：壩體防滲；工況三：壩體壩基防滲。滲流計算中上下游水位設(shè)置分別為22.73 m和13.00 m。三種不同工況條件下壩體的浸潤線計算結(jié)果如圖2所示。

觀察圖2中浸潤線位置形態(tài)得出，土工膜對于浸潤線有著顯著的影響，尤其在浸潤線起點發(fā)生明顯變化，較未防滲狀態(tài)下降了約4.0 m；同時，浸潤線形態(tài)亦有變化，壩體在實施土工膜防滲后的浸潤線變得更加平緩。而從防滲效果分析，在未實施防滲加固前的壩體溢出點高程在18.2 m，而實施土工膜防滲后溢出點高程則為14.5 m，下降幅度達到了3.7 m。

1.3 浸潤線實測值與計算值對比分析

雙河水庫圍壩中選取四個關(guān)鍵位置布設(shè)滲壓井，樁號分別為1+050、1+565、2+250、3+250和4+000，滲壓井?dāng)嗝娌贾梅绞饺鐖D3所示。數(shù)據(jù)收集選擇在水路防滲加固施工完畢后的第7月進行，觀測內(nèi)容主要為滲壓井內(nèi)水位的變化情況，用以掌握所鋪設(shè)土工膜的防滲特性。

以斷面1+565滲壓井觀測數(shù)據(jù)為例，將理論計算得到的結(jié)果與實際觀測數(shù)據(jù)進行比較，如表1所示。分析表中數(shù)據(jù)得到，浸潤線計算值與實測值之間的誤差在可接受范圍內(nèi)，相對誤差絕對值在1.7%～2.8%。這表明計算結(jié)果與實際情況有較高程度的吻合，滲流所建模型參數(shù)設(shè)置比較合理，計算結(jié)果能夠有效反映壩體滲流情況。

圖2 不同工況浸潤線情況對比

圖3 滲壓井?dāng)嗝娌贾檬疽鈭D

圖3 浸潤線實測值與計算值對比

當(dāng)上下游水位分別為22.73 m和13.00 m時，得到實測和計算浸潤線如圖所示，其中浸潤線1和3分別代表鋪設(shè)土工膜前后的計算值，而浸潤線代表實測數(shù)值。對比分析浸潤線和得到，鋪設(shè)土工膜能夠明顯改觀壩體的滲流情況，土工膜后浸潤線下降幅度達到了4.0 m，且溢出點坡降和平均坡降都有不同幅度的下降，這充分說明鋪設(shè)土工膜能夠有效控制壩體滲漏量。對比分析三條浸潤線得到，計算值與實測值相差較小，本次設(shè)計防滲加固方案與模擬計算結(jié)果均可行、有效。

表1 不同水位情況下浸潤線計算值與實測值對比

2 壩體滲流受土工膜缺陷的影響

土工膜的施工質(zhì)量對于壩體防滲效果有著明顯的影響，土工膜缺陷處的滲流量較大。水流會通過土工膜缺陷進入壩體，引起壩體內(nèi)孔隙水壓力的升高，進而造成壩體局部的浸潤線偏高，對下游壩坡面的穩(wěn)定性造成影響。因此，分析土工膜缺陷亦對壩體滲流特性研究有著重要的意義。本文在研究壩體滲流受土工膜缺陷的影響時，將上游壩坡當(dāng)作不透水的邊界，并在此邊界上設(shè)置一土工膜缺陷。土工膜缺陷設(shè)置在兩個位置，分別在壩坡的中部與下部。同時，在土工膜缺陷設(shè)定適宜的水頭或者定流量邊界條件。根據(jù)相關(guān)研究得出，壩體滲流受土工膜缺陷的影響主要包含三個要素，即缺陷位置、尺寸和數(shù)目，分析四種不同情況下滲流情況，具體方案如表2所示。

表2 土工膜缺陷對壩體滲流影響模擬方案

2.1 缺陷位置、尺寸和數(shù)目對浸潤線影響

對比方案方案和可得到量化滲漏量的衡量值，進而分析土工膜缺陷位置對浸潤線造成的影響，浸潤線計算結(jié)果見圖。土工膜缺陷位置對于壩體滲漏量的影響較大，且缺陷的滲漏量與缺陷數(shù)目之間并不存在一定同步倍數(shù)遞增關(guān)系，而10 mm孔徑的滲漏量鑰匙2 mm孔徑的7倍。

圖5 不同缺陷位置壩體浸潤線

表3 不同接觸條件滲漏量

2.2 土工膜與其下墊層的接觸情況對浸潤線影響

土工膜缺陷滲漏量的影響因素除了上述所說的缺陷位置、尺寸和數(shù)目之外，還包括土工膜與其下墊層的接觸情況。根據(jù)接觸情況的不同，可以分為完全接觸、接觸良好和接觸不良種情況[7-8]。設(shè)置分界面厚度為0.02～0.15 mm，接觸良好和不良條件下的滲透系數(shù)分別為1×10-7m/s、1×10-4m/s，計算得到不同接觸情況下滲漏量情況，如表3所示。

模擬結(jié)果顯示，當(dāng)接觸情況較差時，即使土工膜缺陷較小，壩體的滲漏量仍較大；而土工膜與其下墊層接觸良好時，即使缺陷規(guī)模和數(shù)量較大，壩體的滲漏量也保持在一個較小的范圍內(nèi)。土工膜與其下墊層的接觸質(zhì)量主要受施工質(zhì)量的影響，因此，施工中應(yīng)重點加強土工膜與墊層接觸位置的質(zhì)量控制。

3 結(jié)論

雙河水庫壩體防滲采用土工膜+砂殼的形式，形成了一個閉合的防滲體系。模擬結(jié)果表明，鋪設(shè)土工膜后庫盤滲流情況得到大為改觀，浸潤線下降明顯，這與實測數(shù)據(jù)結(jié)果基本相同。土工膜缺陷對于壩體滲漏量有著較大的影響，包括缺陷位置、數(shù)目、尺寸以及土工膜與其下墊層的接觸情況，土工膜與其下墊層的接觸情況影響最為嚴重，施工中應(yīng)加強其防控。

[1]顧淦臣.復(fù)合土工膜土石壩的設(shè)計和計算[J].水利規(guī)劃設(shè)計,2000, (04):49-56.

[2]劉鳳茹.復(fù)合土工膜選型及缺陷滲漏量試驗研究[D].河海大學(xué),2004. [3]張文華.全庫盆土工膜防滲水庫的基礎(chǔ)處理設(shè)計與探討[J].水利規(guī)劃與設(shè)計,2016,(09):98-101.

[4]岑威鈞,沈長松,童建文.復(fù)合土工膜防滲堆石壩力學(xué)特性有限元分析[J].水電能源科學(xué),2008,(05):110-112+165.

[5]GEO-SLOPEInternationalLtd.非飽和土體滲流分析軟件SEEP /W用戶指南[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2011．

[6]李傳奇,李超超,王帥,等.平原水庫土工膜防滲特性分析[J].長江科學(xué)院院報,2016,(04):135-139.

[7]姜海波,侍克斌.壩坡復(fù)合土工膜防滲體的抗滑穩(wěn)定分析[J].水資源與水工程學(xué)報,2010,(06):15-18.

[8]顧淦臣.復(fù)合土工膜土石壩的設(shè)計和計算[J].水利規(guī)劃設(shè)計,2000, (04):49-56.

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2016-02-03

陳志惠（1975-），男，新疆阜康人，工程師，主要從事水利工程建設(shè)與管理工作。