雙河水庫(kù)復(fù)合土工膜防滲特性分析

陳志惠

雙河水庫(kù)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(kù)為例，運(yùn)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(rùn)線的變化情況以及土工膜施工缺陷對(duì)壩體滲流的影響，并將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。結(jié)果顯示，模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)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(rùn)線降低了4.0m左右，溢出點(diǎn)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(kù)；土工膜；防滲特性

雙河水庫(kù)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(kù)，屬Ⅳ等小（1）型水庫(kù)。水庫(kù)原設(shè)計(jì)控制灌溉面積2.0萬(wàn)畝，但由于初期設(shè)計(jì)不夠規(guī)范以及后期缺乏有效的管理維護(hù)，致使現(xiàn)狀水庫(kù)保灌面積僅為1.0萬(wàn)畝，屬于病險(xiǎn)水庫(kù)，防洪能力嚴(yán)重不足。結(jié)合雙河水庫(kù)項(xiàng)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(kù)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(kù)土工膜防滲特性分析

以雙河水庫(kù)地質(zhì)情況為基礎(chǔ)，結(jié)合上述設(shè)計(jì)庫(kù)盤防滲加固方案，運(yùn)用SEEP/W軟件建立滲流分析模型如圖1所示。模型建立過(guò)程中，通過(guò)等效替換的方式對(duì)土工膜厚度與滲透系數(shù)進(jìn)行同步擴(kuò)大，以提升計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)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(kù)水位與下游水位分別為22.50m和13.00m，通過(guò)飽和、飽和-非飽和兩種滲流分析方法對(duì)水庫(kù)滲流量進(jìn)行計(jì)算[4-5]。運(yùn)用飽和滲流計(jì)算方法計(jì)算得到單寬滲流量為0.43 m3/(s.m)，壩體溢出點(diǎn)高程為14.21 m，浸潤(rùn)線坡降0.19。運(yùn)用飽和-非飽和滲流計(jì)算方法計(jì)算得到單寬滲流量為0.51 m3/(s.m)，壩體溢出點(diǎn)高程為14.95 m，浸潤(rùn)線坡降0.18。而如果忽略非飽和區(qū)域的影響，溢出點(diǎn)高程下降了近0.74 m，浸潤(rùn)線較實(shí)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(rùn)線變化情況

雙河水庫(kù)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(hào)0+050）進(jìn)行滲流分析。滲流計(jì)算工程有種，即工況一：壩體無(wú)防滲；工況二：壩體防滲；工況三：壩體壩基防滲。滲流計(jì)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(rùn)線計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

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

1.3 浸潤(rùn)線實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比分析

雙河水庫(kù)圍壩中選取四個(gè)關(guān)鍵位置布設(shè)滲壓井，樁號(hào)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(jìn)行，觀測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)為例，將理論計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如表1所示。分析表中數(shù)據(jù)得到，浸潤(rùn)線計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的誤差在可接受范圍內(nèi)，相對(duì)誤差絕對(duì)值在1.7%～2.8%。這表明計(jì)算結(jié)果與實(shí)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(jì)算結(jié)果能夠有效反映壩體滲流情況。

圖2 不同工況浸潤(rùn)線情況對(duì)比

圖3 滲壓井?dāng)嗝娌贾檬疽鈭D

圖3 浸潤(rùn)線實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

當(dāng)上下游水位分別為22.73 m和13.00 m時(shí)，得到實(shí)測(cè)和計(jì)算浸潤(rùn)線如圖所示，其中浸潤(rùn)線1和3分別代表鋪設(shè)土工膜前后的計(jì)算值，而浸潤(rùn)線代表實(shí)測(cè)數(shù)值。對(duì)比分析浸潤(rùn)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(rùn)線下降幅度達(dá)到了4.0 m，且溢出點(diǎn)坡降和平均坡降都有不同幅度的下降，這充分說(shuō)明鋪設(shè)土工膜能夠有效控制壩體滲漏量。對(duì)比分析三條浸潤(rùn)線得到，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差較小，本次設(shè)計(jì)防滲加固方案與模擬計(jì)算結(jié)果均可行、有效。

表1 不同水位情況下浸潤(rùn)線計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)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(duì)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(huì)通過(guò)土工膜缺陷進(jìn)入壩體，引起壩體內(nèi)孔隙水壓力的升高，進(jìn)而造成壩體局部的浸潤(rùn)線偏高，對(duì)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(duì)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(shí)，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(gè)位置，分別在壩坡的中部與下部。同時(shí)，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(gè)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(duì)壩體滲流影響模擬方案

2.1 缺陷位置、尺寸和數(shù)目對(duì)浸潤(rùn)線影響

對(duì)比方案方案和可得到量化滲漏量的衡量值，進(jìn)而分析土工膜缺陷位置對(duì)浸潤(rùn)線造成的影響，浸潤(rùn)線計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖。土工膜缺陷位置對(duì)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(rùn)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(duì)浸潤(rùn)線影響

土工膜缺陷滲漏量的影響因素除了上述所說(shuō)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(jì)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(shí)，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(shí)，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(gè)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(diǎn)加強(qiáng)土工膜與墊層接觸位置的質(zhì)量控制。

3 結(jié)論

雙河水庫(kù)壩體防滲采用土工膜+砂殼的形式，形成了一個(gè)閉合的防滲體系。模擬結(jié)果表明，鋪設(shè)土工膜后庫(kù)盤滲流情況得到大為改觀，浸潤(rùn)線下降明顯，這與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果基本相同。土工膜缺陷對(duì)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(yán)重，施工中應(yīng)加強(qiáng)其防控。

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

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

[4]岑威鈞,沈長(zhǎng)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(kù)土工膜防滲特性分析[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),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(bào),2010,(06):15-18.

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

TV697.32；TV49

B

1673-9000（2017）02-0141-03

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。