平原水庫復(fù)合土工膜缺陷滲漏影響因素?cái)?shù)值分析

劉 健，邵燕妮，李昱瑩，齊敏敏

(1.山東大學(xué)齊魯交通學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061；2.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250011；3.北京市通州區(qū)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)，北京 101100)

0 引 言

平原水庫是南水北調(diào)工程調(diào)蓄運(yùn)營(yíng)的主要環(huán)節(jié)。但是，平原水庫多修建于河流沖積平原，壩基土層松散、透水性強(qiáng)[1]，對(duì)其進(jìn)行有效的滲流控制十分必要。隨著目前平原水庫容量的不斷增大，常用的防滲墻等手段已經(jīng)不能滿足平原水庫防滲需要。由于復(fù)合土工膜在防滲性能、延伸性能、抗腐蝕能力、施工操作和經(jīng)濟(jì)適用等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于平原水庫滲流控制中。但是，復(fù)合土工膜在施工過程中易發(fā)生破損，從而導(dǎo)致復(fù)合土工膜防滲效果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求[2]。Noska等[3]通過對(duì)300多處大約3.25×106m2的復(fù)合土工膜進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)， 結(jié)果表明大小為0.5～10 cm2的缺陷占總?cè)毕莸?5.8%。近年來，許多專家學(xué)者針對(duì)復(fù)合土工膜缺陷滲漏引起的防滲失效問題進(jìn)行了較詳盡的研究。Giroud等[4]提出下墊層要起到輔助防滲作用，與土工膜共同形成防滲層，并通過大量研究，推出了土工膜與下墊層接觸良好和接觸不良時(shí)缺陷滲漏量的簡(jiǎn)化半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。吳大志[5]、劉鳳茹[6]和李霞[7]等，通過室內(nèi)模型試驗(yàn)定性地分析了復(fù)合土工膜缺陷滲漏孔徑對(duì)土石壩滲流量的影響，得到了滲漏量隨孔徑尺寸和孔徑率增大而增大的結(jié)論。孫丹[8]、岑威鈞[9]和李傳奇[10]等建立了復(fù)合土工膜滲漏區(qū)的滲流模型，分析了土工膜缺陷對(duì)缺陷部位滲流場(chǎng)的影響。

目前的研究多是通過室內(nèi)試驗(yàn)或理論分析的方法定性地研究復(fù)合土工膜缺陷對(duì)于缺陷部位的影響，沒有考慮復(fù)合土工膜缺陷對(duì)于實(shí)際平原水庫的整體影響，也未考慮全庫底鋪膜情況下復(fù)合土工膜缺陷產(chǎn)生位置的影響。為此，本文依托南水北調(diào)東線大屯水庫，采用FLAC 3D數(shù)值模擬軟件，建立平原水庫復(fù)合土工膜缺陷滲漏數(shù)值計(jì)算模型；開展復(fù)合土工膜缺陷滲漏試驗(yàn)，驗(yàn)證平原水庫復(fù)合土工膜缺陷滲漏數(shù)值計(jì)算模型的準(zhǔn)確性；在此基礎(chǔ)上分析復(fù)合土工膜缺陷尺寸、數(shù)量、位置以及庫水位條件下復(fù)合土工膜缺陷滲漏對(duì)平原水庫滲漏量的影響。

表1 壩體、壩基及防滲區(qū)域材料參數(shù)

1 平原水庫復(fù)合土工膜缺陷滲漏數(shù)值計(jì)算方案

1.1 復(fù)合土工膜缺陷滲漏數(shù)值計(jì)算模型

本文以南水北調(diào)東線魯北段大屯水庫為原型進(jìn)行數(shù)值模擬。庫內(nèi)設(shè)計(jì)水位9.60 m，儲(chǔ)水量5 209萬m3，圍壩壩高12.1 m，壩頂寬7.5 m，上下游邊坡坡比分別為1∶2.75、1∶2.5，壩高7.4 m以下部分為棄土平臺(tái)，平臺(tái)寬20 m，圍壩由砂壤土和裂隙粘土混合填筑。

本文取典型圍壩斷面，沿軸線截取50 m長(zhǎng)的圍壩作為研究對(duì)象，采用Flac3d數(shù)值分析軟件建立三維數(shù)值模型，如圖1所示。數(shù)值計(jì)算模型中壩體、壩基及防滲區(qū)域材料參數(shù)如表1所示。壩基的4個(gè)側(cè)面和底面以及壩體、復(fù)合土工膜和棄土平臺(tái)的前后2個(gè)面固定位移和速度，下游壩基上表面為自由面。復(fù)合土工膜上表面為進(jìn)水面，棄土重壓平臺(tái)下游斜面及其后面壩基的上表面設(shè)為自由排水面。

水工專家Giroud等根據(jù)大量工程調(diào)查分析得出土工膜在施工中大約每4 000 m2會(huì)產(chǎn)生一個(gè)缺陷，其等效孔徑一般在1～20 mm[11]。實(shí)際復(fù)合土工膜厚度一般在0.2～3 mm，但由于厚度相對(duì)于圍壩尺寸太小，在通過軟件建立模型時(shí)不易劃分網(wǎng)格，同時(shí)具有計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)、計(jì)算精度差、收斂難等問題，因此要選擇厚度合適的等效土工膜。根據(jù)流量等效原則[12]，將土工膜中PE膜厚0.5 mm換算成厚度為3 m、滲透系數(shù)為6×10-7cm/s等效土層；將缺陷處轉(zhuǎn)換成厚度為3 m，滲透系數(shù)為6×10-1cm/s的等效土層。

圖1 大屯水庫復(fù)合土工膜缺陷滲漏Flac3d模型示意

1.2 復(fù)合土工膜缺陷滲漏工況

影響復(fù)合土工膜防滲特性的因素主要有土的性質(zhì)、缺陷大小和位置、水頭高度等。因此，根據(jù)影響復(fù)合土工膜缺陷滲漏的因素，設(shè)計(jì)數(shù)值計(jì)算模擬工況如表2所示。

表2 缺陷滲漏數(shù)值模擬工況

2 復(fù)合土工膜缺陷滲漏試驗(yàn)

為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算模型準(zhǔn)確性，本文設(shè)置室內(nèi)復(fù)合土工膜缺陷滲漏試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置如圖2所示。試驗(yàn)裝置包括試驗(yàn)桶、螺栓、排氣管、填土、復(fù)合土工膜、量筒等。試驗(yàn)桶的直徑為30 cm，內(nèi)部填土為大屯水庫壩體土樣，高20 cm，復(fù)合土工膜墊層為中粗砂，墊層厚5 cm。在復(fù)合土工膜中間位置設(shè)置孔徑2 cm的圓形缺陷。

圖2 復(fù)合土工膜缺陷滲漏試驗(yàn)

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 數(shù)值計(jì)算模型驗(yàn)證

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)建立復(fù)合土工膜缺陷滲漏試驗(yàn)數(shù)值模型，模型尺寸和材料參數(shù)與室內(nèi)試驗(yàn)材料一致，模型的水頭施加方式及復(fù)合土工膜缺陷模擬方式與大屯水庫復(fù)合土工膜缺陷滲漏數(shù)值計(jì)算模型一致。數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖3所示。從圖3可知，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差的絕對(duì)值在10%之內(nèi)，說明該模型復(fù)合土工膜缺陷滲漏模擬方法和水頭施加方式設(shè)置合理。

圖3 數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.2 缺陷尺寸影響

無缺陷情況下模擬壩段50 m每天滲漏量為63 m3，將其作為壩體基礎(chǔ)滲漏量。復(fù)合土工膜缺陷滲漏設(shè)在壩基，距壩腳100 m處位置，圍壩滲漏量隨孔徑變化的曲線如圖4所示。從圖4可以看出，滲漏孔徑從2 mm增加至5 mm，滲漏量?jī)H增加了0.077%，從5 mm增加至10 mm，滲漏量增加了0.248%。說明因復(fù)合土工膜缺陷滲漏小于5 mm時(shí)對(duì)圍壩的影響較小，但是當(dāng)孔徑增加至10 mm時(shí)需要排查修補(bǔ)。

圖4 缺陷孔徑與壩體滲漏量的關(guān)系

3.3 平原水庫水頭高度影響

復(fù)合土工膜缺陷尺寸為2 mm，不同水位條件下的缺陷滲漏量如圖5所示。從圖5可以看出，隨水頭高度的增加，壩體滲漏量呈現(xiàn)出線性規(guī)律增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

圖5 缺陷水頭高度與壩體滲漏量的關(guān)系

3.4 缺陷距壩腳位置影響

復(fù)合土工膜缺陷尺寸為2 mm，壩體滲漏量隨缺陷距壩腳位置的關(guān)系如圖6所示。從圖6可以看出，當(dāng)缺陷位置距離壩腳小于100 m時(shí)，缺陷滲漏量的變化較小，50 m壩體滲漏量平均為65.570 m3/d；當(dāng)距離壩腳超過100 m時(shí)，滲漏量隨距壩腳距離的增大開始迅速減小；當(dāng)距離壩腳的位置達(dá)到150 m時(shí)，滲漏量?jī)H為無缺陷時(shí)滲漏量的0.525%。說明當(dāng)復(fù)合土工膜缺陷距離壩腳小于100 m時(shí)，需要重點(diǎn)修補(bǔ)。

圖6 缺陷水平位置與壩體滲漏量的關(guān)系

3.5 缺陷滲漏數(shù)量和間距影響

復(fù)合土工膜缺陷滲漏尺寸為20 mm，兩缺陷間間距為10 m，壩體滲漏量隨缺陷數(shù)量的關(guān)系如圖7所示。從圖7可以看出，壩體滲漏量隨缺陷數(shù)量的增加呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)的關(guān)系。復(fù)合土工膜缺陷滲漏尺寸為20 mm，缺陷數(shù)量為3個(gè)，復(fù)合土工膜缺陷滲漏量隨缺陷間距的關(guān)系如圖8所示。從圖8可以看出，隨著缺陷間距的增加，壩體滲漏量明顯減小。當(dāng)缺陷間距達(dá)到15 m時(shí)，滲漏量降為無間距時(shí)的0.312 8%。

圖7 缺陷個(gè)數(shù)對(duì)壩體滲流量的影響

圖8 不同缺陷間距對(duì)壩體滲流量的影響

4 結(jié)論與建議

依托南水北調(diào)大屯水庫，設(shè)計(jì)平原水庫復(fù)合土工膜缺陷滲漏數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)復(fù)合土工膜缺陷滲漏量進(jìn)行了多工況控制分析，得到了如下結(jié)論：

(1)分別對(duì)數(shù)值計(jì)算模型和室內(nèi)試驗(yàn)確定的復(fù)合土工膜缺陷滲漏量進(jìn)行分析對(duì)比，實(shí)質(zhì)計(jì)算結(jié)果和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高，驗(yàn)證了平原水庫復(fù)合土工膜缺陷滲漏數(shù)值模型參數(shù)、水頭施加方式和缺陷模擬方式的準(zhǔn)確性。

(2)復(fù)合土工膜缺陷的數(shù)量和水頭高度是影響復(fù)合土工膜缺陷滲漏的主要因素，其次為缺陷尺寸、缺陷間距和缺陷位置。

(3)復(fù)合土工膜缺陷尺寸較小和距離壩腳較遠(yuǎn)時(shí)對(duì)復(fù)合土工膜缺陷滲漏量影響較小，復(fù)合土工膜缺陷滲漏量隨缺陷數(shù)量和庫水位的增加呈線增長(zhǎng)的趨勢(shì)，當(dāng)缺陷距離壩腳小于100 m，且缺陷尺寸大于10 mm，同時(shí)缺陷間距較小情況下，應(yīng)重點(diǎn)排查修補(bǔ)。