基于COMSOL計(jì)算下水庫(kù)土石壩體滲流特征及防滲墻最優(yōu)設(shè)計(jì)研究

寧威鋒

(江門市科禹水利規(guī)劃設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣東 江門 529000)

水工結(jié)構(gòu)滲流安全性是許多水利工程師持續(xù)專注于研究的重要課題，滲流可靠性對(duì)水工結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)具有重要意義，而仿真計(jì)算分析滲流場(chǎng)變化乃是反映滲流可靠性的一個(gè)重要手段[1-3]。利用現(xiàn)場(chǎng)全方位監(jiān)測(cè)儀器對(duì)水工結(jié)構(gòu)開展實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸反饋，分析相關(guān)數(shù)據(jù)之間聯(lián)系以及變化特征，及時(shí)為水工建筑提供預(yù)警修護(hù)參考依據(jù)[4-6]。當(dāng)然，也有一些學(xué)者利用原型試驗(yàn)，在室內(nèi)開展水工物理模型試驗(yàn)，分析水工結(jié)構(gòu)破壞過(guò)程特征，為水利設(shè)計(jì)提供重要試驗(yàn)依據(jù)支撐[7-9]。借助數(shù)值仿真手段，不僅可以對(duì)水工結(jié)構(gòu)的滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)展開分析，同樣可以依據(jù)不同設(shè)計(jì)方案，分別對(duì)比各個(gè)方案下計(jì)算結(jié)果，探討不同方案之間參數(shù)變化對(duì)水工結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響，為選擇最優(yōu)方案提供重要參考價(jià)值[10-11]。筆者將采用COMSOL仿真軟件，對(duì)土石壩滲流場(chǎng)特征以及防滲墻最優(yōu)設(shè)計(jì)方案展開計(jì)算分析，為工程設(shè)計(jì)部門加固除險(xiǎn)提供一定參考。

1 工程概況

水庫(kù)乃是粵西地區(qū)重要水資源輸送調(diào)度樞紐，為地區(qū)農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水以及部分城鄉(xiāng)生活用水提供重要保障，枯水期可提供生活用水量達(dá)4000萬(wàn)m3，保障城鄉(xiāng)居民缺水率不低于警戒線，常年最低缺水率維持在3%以下。該水庫(kù)工程采用混合壩體圍堰結(jié)構(gòu)，其中土石壩長(zhǎng)度約為425.76 m，占?jí)误w總長(zhǎng)度75%，壩體高程為54.3 m，水庫(kù)蓄水期最高水位可達(dá)54.8 m，另澆筑有大面積混凝土壩體，兩種類型壩體接口處已設(shè)置防滲結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用止水面板與止水材料設(shè)置，其中止水面板采用土工布與C25混凝土澆筑形成，個(gè)別區(qū)域采用固結(jié)灌漿的形式加固受拉區(qū)，在所有壩體表面均鋪設(shè)有土工膜防護(hù)層，保證土石壩體滲流穩(wěn)定性。該水庫(kù)所連接輸水渠道總長(zhǎng)55 km，渠首采用液壓式閥門精確控制開度，保證渠首流量穩(wěn)定在0.6～0.7 cm3/s，所連接農(nóng)業(yè)灌區(qū)輸水渠道均采用特種混凝土襯砌結(jié)構(gòu)形式，保證輸水效率。現(xiàn)由于該水庫(kù)建設(shè)時(shí)間較久，輸水效率大大降低，而其中又以壩體中土石壩主體結(jié)構(gòu)為首要安全，其滲流穩(wěn)定性及混合壩體連接處的防滲系統(tǒng)安全性均是重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域，因而工程設(shè)計(jì)部門考慮增設(shè)防滲墻結(jié)構(gòu)，且防滲墻厚度分別按照對(duì)比實(shí)驗(yàn)原則，設(shè)計(jì)分別約為60 cm、80 cm、100 cm、120 cm，其插入基巖層深度分別設(shè)定為1 m、2 m、4 m、6 m、8 m、10 m，開展仿真計(jì)算分析。

為保證計(jì)算準(zhǔn)確性，針對(duì)該土石壩體研究區(qū)段內(nèi)的地質(zhì)狀態(tài)進(jìn)行鉆孔勘察，由此可知，壩體場(chǎng)地表面以第四系堆積土為主，層厚達(dá)1.5 m，主要由河流沖刷搬運(yùn)堆積形成，場(chǎng)地內(nèi)部分區(qū)段可見有溝谷等地質(zhì)體，發(fā)育有較多裂隙，部分強(qiáng)風(fēng)化巖石碎屑在裂隙中夾雜，形成碎屑體，并跟隨溝谷等地質(zhì)體發(fā)生產(chǎn)狀等參數(shù)的局部變化。從鉆取處巖樣可知，地層巖體以弱風(fēng)化花崗巖為主，顆粒粒徑最大可達(dá)6 mm，受河流地下水沖刷作用，磨圓度較好，室內(nèi)測(cè)試單軸強(qiáng)度可達(dá)60 MPa，液體水介質(zhì)滲透率可達(dá)10～19 m2，表明完整性巖體密閉性較好。與基巖層、堆積土層之間相接觸的土體材料為砂土、粉砂土、砂礫土等泥盆系發(fā)育的混合土體，含水量較低，其中砂土粒徑為0.2～4.0 mm，強(qiáng)度相比粉砂土高。砂礫土松散程度較高，透水性較強(qiáng)，并夾有粒徑1.6～6.8 mm的碎石，目前是渠首液壓式閥門的基礎(chǔ)持力層，防滲性較佳。

2 防滲墻滲流基本參數(shù)分析

基于滲流理論，結(jié)合壩體巖土模型，計(jì)算防滲墻滲流場(chǎng)特征。利用COMSOL仿真軟件，采用多種單元體建立壩體三維模型，并針對(duì)防滲墻結(jié)構(gòu)專門劃分出有限元計(jì)算網(wǎng)格，整體壩體共有41 251個(gè)單元網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)數(shù)40 528個(gè)，相關(guān)巖土材料模型的滲透參數(shù)以及物理力學(xué)參數(shù)均采用室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，其中防滲墻材料滲透系數(shù)取值為1.0×10-10m/s。

基于防滲墻不同設(shè)計(jì)參數(shù)工況下仿真計(jì)算，獲得各工況下有防滲墻結(jié)構(gòu)下壩體區(qū)段內(nèi)滲流場(chǎng)特征，典型計(jì)算結(jié)果如圖1所示，其中圖1(a)為無(wú)防滲墻結(jié)構(gòu)下壩體內(nèi)總水頭分布狀態(tài)。經(jīng)計(jì)算后可知，當(dāng)改變防滲墻深度或?qū)挾葏?shù)后，實(shí)質(zhì)上壩體內(nèi)部孔隙水壓力并未有較大變化，各總水頭分布基本上與圖1(b)中一致，但對(duì)比有、無(wú)防滲墻結(jié)構(gòu)下，兩者具有較大差異：無(wú)防滲墻結(jié)構(gòu)下總水頭線均集中于壩腳處，即在該區(qū)域存在有較大的水力作用，滲透坡度亦會(huì)有較大集中，滲漏極有可能在此處發(fā)生，且發(fā)生滲漏部位乃是壩體下游區(qū)域，對(duì)水庫(kù)運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定性具有較大考驗(yàn)；而當(dāng)設(shè)置有防滲墻結(jié)構(gòu)后，壩體內(nèi)總水頭線發(fā)生較大逆轉(zhuǎn)性變化，總水頭等值線集中區(qū)域位于防滲墻底部處，即防滲墻較好承擔(dān)起滲漏止水作用，滲透坡度均集中于此，減弱了大面積滲漏量對(duì)壩體的危害。

圖1 壩體內(nèi)總水頭分布特征

圖2為有、無(wú)防滲墻結(jié)構(gòu)下壩體內(nèi)部孔隙水壓力變化特征云圖。從圖中可看出，在無(wú)防滲墻結(jié)構(gòu)條件下，整個(gè)壩體內(nèi)部孔隙水壓力分布較為均勻，自頂部至底部，隨著水深度增大，孔隙水壓力遞增，且橫貫整個(gè)壩體上下游面，最大孔隙水壓力可達(dá)1000 Pa；而有防滲墻結(jié)構(gòu)壩體中孔隙水壓力分布呈現(xiàn)上游面高于下游面，以防滲墻所在部位為轉(zhuǎn)折節(jié)點(diǎn)，孔隙水壓力降低，分析認(rèn)為，防滲墻結(jié)構(gòu)材料滲透系數(shù)較低，而壩體自身材料堆石料等材料綜合滲透系數(shù)可達(dá)10-3m/s，相比之防滲墻結(jié)構(gòu)增大了7個(gè)量級(jí)，因而孔隙水在壩體內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)會(huì)在防滲墻結(jié)構(gòu)部位處產(chǎn)生顯著差異性，上、下游面最大孔隙水壓力降幅達(dá)60%，防滲墻的存在承受了較多孔隙水壓力的沖擊作用，進(jìn)而極大削弱了孔隙水壓力對(duì)下游滲流穩(wěn)定性影響。

圖2 壩體內(nèi)部孔隙水壓力變化特征云圖(單位：Pa)

圖3為不同深度、厚度防滲墻及無(wú)防滲墻條件下壩體浸潤(rùn)線分布特征。從圖中各工況下浸潤(rùn)線分布特征可看出，無(wú)防滲墻結(jié)構(gòu)條件下浸潤(rùn)線處于較高位置，其所在位置接近壩高2/3，對(duì)下游面的安全穩(wěn)定性具有較大挑戰(zhàn)；當(dāng)設(shè)置防滲墻后，不論防滲墻厚度、寬度等設(shè)計(jì)參數(shù)變化，其浸潤(rùn)線均顯著比無(wú)防滲墻條件下要低，特別是在下游面處最大降低幅度可達(dá)83.3%，另外從壩體整體浸潤(rùn)線分布特征可看出，上游面至下游面浸潤(rùn)線為“Z”字形，即防滲墻結(jié)構(gòu)部位處出現(xiàn)有較大的轉(zhuǎn)折點(diǎn)變化，防滲效果良好。對(duì)比同一深度不同防滲墻厚度下浸潤(rùn)線分布特征可知，防滲墻厚度與浸潤(rùn)線分布高度為負(fù)相關(guān)，即厚度愈大，可進(jìn)一步抑制壩體浸潤(rùn)線的上漲；當(dāng)處于同一厚度不同深度防滲墻工況下，防滲墻設(shè)計(jì)深度與浸潤(rùn)線分布特征亦為負(fù)相關(guān)，防滲墻深度10 m下浸潤(rùn)線分布高度相比深度1 m時(shí)降低了52.5%,說(shuō)明設(shè)置防滲墻結(jié)構(gòu)可以起到較好的防滲效果。

圖3 壩體浸潤(rùn)線分布特征

圖4 防滲墻設(shè)計(jì)參數(shù)影響下滲流特征參數(shù)變化

3 防滲墻設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化分析

通過(guò)分析得知防滲墻深度、厚度愈大，愈有利于壩體防滲效果，但不可忽視防滲墻設(shè)計(jì)參數(shù)愈大，會(huì)導(dǎo)致工程成本也進(jìn)一步增加，因而在保證防滲最佳效果前提下，使工程成本處于最經(jīng)濟(jì)，設(shè)計(jì)方案才最優(yōu)。

為對(duì)比出最佳設(shè)計(jì)方案，引入壩基單寬滲流量、防滲墻后作用水頭、防滲墻底部滲透坡降、壩腳逸出點(diǎn)滲透坡降四個(gè)滲流特征參數(shù)，獲得防滲墻設(shè)計(jì)參數(shù)影響下滲流特征參數(shù)變化規(guī)律，如圖6所示。無(wú)防滲墻結(jié)構(gòu)下壩基單寬滲流量為9.55×10-4m3/s，安全允許值為5.26×10-4m3/s，無(wú)防滲墻結(jié)構(gòu)下壩體壩基單寬滲流量過(guò)大，超出安全運(yùn)營(yíng)區(qū)間；結(jié)合圖4(a)壩基單寬滲流量變化可知，在有防滲墻結(jié)構(gòu)下，當(dāng)深度為4 m、厚度為80 cm 時(shí)，壩基單寬滲流量為3.98×10-4m3/s，相比無(wú)防滲墻工況下滲流量降低了58.3%，當(dāng)處于同一厚度下，深度增大為10 m時(shí)，壩基單寬滲流量相比深度4 m時(shí)又降低了66.7%，即防滲墻具有顯著抑制壩基單寬滲流量發(fā)展的效果。當(dāng)防滲墻在同一深度下，厚度變化對(duì)寬滲流量影響較弱，在深度為4 m時(shí)，厚度60 cm的壩基單寬滲流量為4.76×10-4m3/s，而相同深度下厚度80 cm、100 cm、120 cm的單寬滲流量相比前者分別降低了16.4%、19.8%、27.5%，表明防滲墻厚度對(duì)壩基單寬滲流量影響弱于深度參數(shù)值。比較同一厚度下壩基單寬滲流量變化特征可知，隨深度增大，單寬滲流量遞減，60 cm、80 cm、100 cm、120 cm 四個(gè)不同厚度的防滲墻工況下的單寬滲流量安全區(qū)間分別對(duì)應(yīng)深度2.0 m、1.0 m、0.9 m、0.6 m，從參數(shù)影響性以及工程經(jīng)濟(jì)性角度考慮，厚度滿足要求，深度可適量增大，即以厚度80 cm、深度2 m為較佳方案。防滲墻設(shè)計(jì)參數(shù)同樣的變化影響規(guī)律在水頭值變化曲線中亦是如此，不同防滲墻厚度下水頭變化幅度最大僅為9.7%，而防滲墻深度參數(shù)直接作用影響水頭變化最大為36.8%，其中厚度80 cm、深度2 m工況下水頭值為11.98 m，其相比最大水頭降低了20.1%，處于較理想狀態(tài)。

比較圖4(c)與圖4(d)中防滲墻底部、壩腳逸出點(diǎn)兩個(gè)部位的滲透坡降變化特征可知，防滲墻底部滲透坡降隨深度增大呈先減后增變化，防滲墻深度控制在8 m內(nèi)時(shí)，墻底部滲透坡降持續(xù)減少，且滲透坡降參數(shù)逐漸由危險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)入安全運(yùn)行區(qū)間內(nèi)，厚度60 cm下，深度0 m時(shí)滲透坡降約為58.1，而深度8 m時(shí)相比前者降低了76.7%。在深度8 m后，各厚度下防滲墻底部滲透坡降均為上升，且逐漸超過(guò)安全允許值，其中厚度60 cm下，深度12 m的滲透坡降相比其最低滲透坡降增大了6.2倍，由此可見，防滲墻深度過(guò)大，會(huì)造成防滲墻底部滲透坡降急劇性集中，極大影響防滲系統(tǒng)穩(wěn)定性。當(dāng)防滲墻深度過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致防滲墻穿越基巖強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層，到達(dá)比較穩(wěn)定基巖層，此時(shí)防滲墻底部滲透通道較小，導(dǎo)致滲流速度急劇膨脹，水頭損失也快速變化，進(jìn)而帶來(lái)滲透坡降集中，因而防滲墻設(shè)計(jì)參數(shù)中深度值不應(yīng)過(guò)大[12-13]。圖4(d)中壩腳逸出點(diǎn)滲透坡降亦是隨深度值遞減，但以深度2 m前減小幅度為最大，厚度80 cm下，深度2 m壩腳逸出點(diǎn)滲透坡降相比深度0 m時(shí)降低了55.2%，而深度再次增加2 m，為4 m時(shí)，其滲透坡降相比深度2 m時(shí)僅降低了22.4%，深度6 m相比深度4 m時(shí)變化幅度僅為19.8%，分析原因認(rèn)為，防滲墻深度增大，會(huì)造成水頭徑流長(zhǎng)度增大，沿程水頭損失上漲，進(jìn)而導(dǎo)致防滲墻體抑制滲透坡降作用逐漸減弱，而壩腳逸出點(diǎn)滲透坡降在深度為2 m時(shí)已處于較佳的抑制狀態(tài)。綜合比較四個(gè)滲流特征參數(shù)來(lái)看，防滲墻深度2 m最佳，而防滲墻厚度由于對(duì)滲流活躍性影響較弱，選擇厚度80 cm對(duì)應(yīng)安全性以及工程經(jīng)濟(jì)性均是最合適，因而防滲墻最優(yōu)設(shè)計(jì)方案應(yīng)是深度2 m、厚度80 cm。

4 結(jié) 論

(1)分析了有、無(wú)防滲墻工況下壩體內(nèi)滲流場(chǎng)特征，防滲墻具有顯著抑制滲透坡降集中、降低滲漏量發(fā)生的作用，有、無(wú)防滲墻下壩體總水頭分別集中在防滲墻底部、下游壩腳溢出點(diǎn)，有防滲墻條件下壩體上、下游面最大孔隙水壓力降幅達(dá)60%，浸潤(rùn)線沿壩軸線為“Z”字形，具有較大防滲效果。

(2)研究了防滲墻設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)滲流特征參數(shù)影響規(guī)律，防滲墻深度、厚度均與壩基單寬滲流量、防滲墻后水頭值、壩腳逸出點(diǎn)滲透坡降為負(fù)相關(guān)關(guān)系，但不同厚度下防滲墻底部滲透坡降隨深度為先減后增變化，同一厚度80 cm下，深度10 m時(shí)壩基單寬滲流量相比深度4 m時(shí)降低了66.7%，而同深度4 m下厚度80 cm、100 cm、120 cm的單寬滲流量相比厚度60 cm時(shí)分別降低了16.4%、19.8%、27.5%，防滲墻深度8 m時(shí)的墻底部滲透坡降為各厚度下最低。

(3)綜合壩體滲流安全性與工程經(jīng)濟(jì)性，防滲墻深度2 m時(shí)壩腳逸出點(diǎn)滲透坡降處于最佳的抑制狀態(tài)，而厚度80 cm時(shí)可兼顧滲流安全性與工程經(jīng)濟(jì)性，該方案下四個(gè)滲流特征參數(shù)均處于安全允許區(qū)間，滿足安全性設(shè)計(jì)要求，為最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。