某水庫復(fù)雜壩基瀝青混凝土心墻壩滲透安全評價(jià)

柳瑩 吳俊杰 馬軍 楊玉生

摘 要：某水庫工程瀝青心墻壩壩基存在砂卵礫石層滲透性強(qiáng)、河床斷層、左岸繞壩滲流等防滲設(shè)計(jì)難題，為減少滲漏和保障工程運(yùn)行安全，該工程壩體采用瀝青混凝土心墻進(jìn)行防滲，壩基及左岸古河槽采用固結(jié)灌漿及帷幕灌漿的方式進(jìn)行防滲處理。針對壩體和壩基系統(tǒng)的防滲設(shè)計(jì)，通過三維滲流分析，確定了不同運(yùn)行工況下水庫的滲透流量，研究了壩體和壩基系統(tǒng)及周圍山體的滲流場分布，結(jié)合滲透破壞試驗(yàn)確定允許水力坡降，對大壩防滲體系的有效性和防滲設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行了評估。結(jié)果表明，該工程防滲體系能有效防止水庫發(fā)生明顯滲漏，壩體下游滲流出逸點(diǎn)和壩基覆蓋層不會(huì)發(fā)生滲透破壞。

關(guān)鍵詞：砂礫石覆蓋層;瀝青混凝土;心墻壩;三維繞壩滲流計(jì)算;安全評價(jià)

中圖分類號(hào)：TV641 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.07.026

引用格式：柳瑩，吳俊杰，馬軍，等.某水庫復(fù)雜壩基瀝青混凝土心墻壩滲透安全評價(jià)[J].人民黃河，2021，43（7）：137-140.

Abstract： In order to reduce the seepage and ensure the seepage safety ofa project， the asphalt concrete core wall was used for seepage control of the dam body and the consolidation grouting and curtain grouting were used for seepage control of the dam foundation and the left bank ancient channel. Aiming at the anti-seepage design of dam body and dam foundation system， through three-dimensional seepage analysis， the seepage flow of a reservoir under different operation conditions was determined. The seepage field distribution of dam body and dam foundation system and surrounding mountains was studied. Combined with the allowable hydraulic gradient determined by seepage failure test， the effectiveness of dam anti-seepage system and the rationality of anti-seepage design were evaluated. The results show that the seepage control system of the project can effectively prevent the obvious leakage of the reservoir and the seepage damage will not occur at the downstream exit point of the dam body and the overburden layer of the dam foundation. The research results can provide a reference for the seepage control design of similar projects.

Key words： gravel overburden; asphalt concrete; core wall dam; three dimensional seepage calculation around dam; safety evaluation

瀝青混凝土心墻壩因筑壩材料來源廣泛、施工周期短、造價(jià)相對較低等特點(diǎn)，是新疆壩工建設(shè)中很有競爭力的壩型。目前，全疆共建瀝青心墻壩70余座，其中壩高百米以上11座（在建8座），分別約占全國瀝青心墻壩總量和壩高百米以上瀝青心墻壩總量的60%和73%。新疆瀝青心墻壩建設(shè)取得了巨大的成就，但也有一些水庫在蓄水或后期運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)滲漏量較大甚至滲透變形的問題[1-2]，滲漏量較大時(shí)嚴(yán)重影響水庫效益的發(fā)揮，滲透變形問題則嚴(yán)重威脅大壩安全[3-6]。尤其是新疆很多瀝青心墻壩建于高山峽谷區(qū)復(fù)雜深厚覆蓋層上，既可能存在滲透變形問題，也存在繞壩滲漏的可能，其滲漏和滲透變形問題往往是關(guān)系工程成敗和安全的關(guān)鍵問題。因此，在設(shè)計(jì)階段對壩體和壩基系統(tǒng)進(jìn)行滲流分析，研究大壩在正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位條件下各區(qū)域的滲流場分布、滲流量和滲透坡降情況，分析壩體設(shè)計(jì)和壩基防滲設(shè)計(jì)條件下滲控效果和壩體、壩基的滲透穩(wěn)定性，評估壩料及防滲系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理，對整個(gè)壩體的安全運(yùn)行至關(guān)重要[7-9]，對建設(shè)在深厚覆蓋層上的瀝青心墻壩、壩體和地基系統(tǒng)的滲漏和滲透穩(wěn)定分析意義更為重大[10-12]。

本文結(jié)合某高山峽谷地帶覆蓋層上的瀝青心墻壩工程，針對壩體防滲設(shè)計(jì)，基于滲透破壞試驗(yàn)，分析不同運(yùn)行工況下壩體和地基系統(tǒng)及周圍山體的滲流場分布，確定水庫滲漏流量，評估大壩防滲體系的有效性和防滲設(shè)計(jì)的合理性，為大壩防滲系統(tǒng)設(shè)計(jì)評估和優(yōu)化提供依據(jù)。

1 工程概況

某水庫工程作為TZNP河上的控制性工程，主要任務(wù)是防洪、灌溉及發(fā)電，總庫容0.93億m3，總裝機(jī)容量為26 MW，多年平均年發(fā)電量為0.764億kW·h，為中型Ⅲ等工程，工程由攔河壩、左岸表孔溢洪道、右岸導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞、發(fā)電引水洞及壩后發(fā)電廠房組成。攔河壩為瀝青混凝土心墻壩，壩頂寬度為10 m，最大壩高75.0 m，地震設(shè)防烈度8度。壩體上游壩坡1∶2.2，在高程1 868.5 m處與圍堰結(jié)合;下游壩坡在高程1 876.8 m以上、以下的坡比分別為1∶2.0、1∶1.8，綜合坡比為1∶2.33。

1.1 工程地質(zhì)

壩基左岸階地分布有低液限粉土，結(jié)構(gòu)為松散-中密狀態(tài)，屬中-高壓縮性土，具中-弱透水性。下伏砂卵礫石層，結(jié)構(gòu)密實(shí)，具中-強(qiáng)透水性，下伏基巖為西域組礫巖，礫巖以泥質(zhì)膠結(jié)為主，局部泥鈣質(zhì)膠結(jié)，屬軟巖。左岸強(qiáng)風(fēng)化基巖面高于正常蓄水位2.8 m，坡頂基巖強(qiáng)風(fēng)化層厚3～5 m，強(qiáng)風(fēng)化層屬中-弱透水層，弱風(fēng)化層厚8～10 m。

河谷呈U形，兩側(cè)零星分布Ⅰ級階地和坡積物，河床段覆蓋層最大深度為15 m左右，覆蓋層以下是基巖，基巖強(qiáng)風(fēng)化層厚3～5 m，弱風(fēng)化層厚8～10 m?；鶐r透水率q<5 Lu時(shí)界線埋深一般在基巖面以下15～55 m，透水率q<3 Lu時(shí)界線埋深一般在基巖面50～55 m以下。左岸樁號(hào)0+109處順河發(fā)育f7斷層，產(chǎn)狀350°NE∠80°～85°，斷層破碎帶寬1.0～1.5 m，帶內(nèi)充填碎裂巖和糜棱巖，膠結(jié)較好，具壓扭性，順斷層易形成滲漏通道。

右壩肩岸坡較陡，大小沖溝發(fā)育，Ⅵ級階地，階面高程1 912 m左右，后緣為Ⅶ級階地，階面高程1 941 m左右，階地巖性為含土砂卵礫石，厚30 m左右，頂部被風(fēng)積黃土覆蓋，厚度一般大于6 m。岸坡1 900 m以下基巖裸露，巖性為西域礫巖，以泥質(zhì)膠結(jié)為主，局部泥鈣質(zhì)膠結(jié)，屬軟巖，巖層產(chǎn)狀310°NE∠25°?；鶐r強(qiáng)風(fēng)化層厚3～5 m，弱風(fēng)化層厚8～10 m。階地砂卵礫石及含土砂卵礫石結(jié)構(gòu)密實(shí)，底部與基巖接觸部位顆粒粗大，為漂石層，厚度1.0 m左右，粒徑一般為30～50 cm。

1.2 工程特點(diǎn)及防滲系統(tǒng)構(gòu)成

從該工程地質(zhì)資料來看，其最大的特點(diǎn)是在左岸350 m左右存在2#沖溝，同時(shí)左岸強(qiáng)風(fēng)化基巖面僅高于正常蓄水位2.8 m，坡頂基巖強(qiáng)風(fēng)化層厚3～5 m，強(qiáng)風(fēng)化層屬中-弱透水層，弱風(fēng)化層厚8～10 m。據(jù)左壩肩鉆孔壓水試驗(yàn)成果，該段西域礫巖透水率q<3 Lu界線低于正常蓄水位。水庫蓄水后，沿左岸Ⅴ～Ⅵ級階地基巖強(qiáng)、弱風(fēng)化層存在庫水繞壩滲漏問題。同時(shí)，左岸樁號(hào)0+109處順河發(fā)育f7斷層，斷層為陡傾角，具壓扭性，易形成滲漏通道。結(jié)合規(guī)范要求，必須截?cái)嘣摵佣嗡?，消除繞壩滲漏的可能性。

1.2.1 大壩頂部結(jié)構(gòu)

該水利樞紐擋水建筑物為瀝青混凝土心墻壩，采用L形防浪墻進(jìn)行大壩頂部擋水，防浪墻頂高程為1 898.0 m，墻高1.2 m;壩頂高程1 897.8 m，采用20 cm厚混凝土路面，坡比為2%，單向向下游傾斜。

1.2.2 壩料分區(qū)設(shè)計(jì)

壩體上游采用二級配厚0.25 m的C25混凝土面板護(hù)坡;上游、下游壩體填筑砂礫石料場全料，填筑標(biāo)準(zhǔn)取相對密度Dr≥0.85;心墻上游、下游過渡料厚3 m，最大粒徑Dmax為80 mm，級配連續(xù)，小于5 mm粒徑的砂礫石料含量宜為25%～40%，小于0.075 mm的含量不宜大于5%，Dr≥0.85。復(fù)核壩體各個(gè)分區(qū)所用填筑材料的反濾排水特性表明，各個(gè)分區(qū)所用填筑材料之間的層間關(guān)系滿足保土、排水準(zhǔn)則。

1.2.3 壩基處理設(shè)計(jì)

左岸心墻基礎(chǔ)清除覆蓋層和基巖強(qiáng)風(fēng)化層，置于弱風(fēng)化巖體上，覆蓋層臨時(shí)開挖邊坡1∶1.00～1∶1.25，基巖臨時(shí)開挖邊坡1∶0.30。

心墻基礎(chǔ)坐落于弱風(fēng)化巖層下線，并設(shè)置混凝土基座，其間設(shè)置銅片止水。兩岸及陡坡段基座底部設(shè)置錨桿，基座下部進(jìn)行固結(jié)灌漿和帷幕灌漿，其中固結(jié)灌漿設(shè)4排、深5 m，帷幕灌漿設(shè)2排，帷幕灌漿孔深至3 Lu線。

2 壩體繞壩滲流三維有限元分析

2.1 有限元計(jì)算模型及網(wǎng)格剖分

水庫蓄水后沿左岸Ⅴ～Ⅵ級階地基巖強(qiáng)、弱風(fēng)化層存在繞壩滲流問題，因此有限元建模時(shí)建立全地形模型，模型中同時(shí)包含左岸2#沖溝與主河道。該工程三維有限元整體模型見圖1，模型中x軸以指向右岸為正、y軸以為指向下游正、z軸以垂直向上為正，上、下游邊界距離壩軸線400 m，左岸邊界超出左0+400.000樁號(hào)80 m，右岸邊界超出壩0+433.373樁號(hào)250 m，模型底部高程1 500 m（距離壩頂396.8 m），模型整體高度496.8 m。左岸、右岸、模型底部及上游面為不透水邊界，下游面為出水邊界。

防滲系統(tǒng)有限元網(wǎng)格（見圖2）共劃分單元662 506個(gè)，采用四面體等參單元，計(jì)算中采用了8種介質(zhì)的計(jì)算參數(shù)。

2.2 滲流理論

假定滲流符合達(dá)西定律，且不考慮介質(zhì)的壓縮性，三維各向異性非均質(zhì)介質(zhì)的穩(wěn)定滲流方程為

式中：h為沿程水頭;x為順河向（垂直壩軸向）坐標(biāo)、y為平行壩軸向坐標(biāo)、z為豎向坐標(biāo);kx、ky、kz分別為x、y、z方向的滲透系數(shù)。

在三維滲流場計(jì)算分析過程中，主要采用以下3種邊界條件：①初始水頭邊界Γ1，給定水頭H=H0，H為總水頭（m），H0為初始位置水頭（m）;②不透水邊界條件Γ2，H/n=0（n為邊界外法線方向）;③出滲面邊界Γ3，H（x，y，z）=Z（x，y），H/n>0，Z（x，y）為出滲面水頭。

2.3 計(jì)算參數(shù)及工況

本次計(jì)算所采用的材料參數(shù)為技術(shù)施工階段的現(xiàn)場試驗(yàn)參數(shù)，見表1。計(jì)算工況見表2。

通過對壩體、壩基和左右岸山體進(jìn)行三維滲流有限元計(jì)算，全面、完整地掌握不同工況下大壩各分區(qū)滲流場，確定下游壩基表面及壩體滲流出逸點(diǎn)水力坡降以判斷滲透穩(wěn)定性，確定左右岸、壩體、覆蓋層總滲流量，估算水庫滲漏損失，確定防滲系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 三維滲流計(jì)算結(jié)果

三維滲流計(jì)算結(jié)果見表3。

正常蓄水位1 894.00 m時(shí)，總滲漏量為24.97 L/s，左岸繞壩滲漏量為11.86 L/s，占總滲漏量的47.5%;河床段滲漏量為8.73 L/s，占總滲漏量的35.0%;右岸繞壩滲漏量為4.38 L/s，占總滲漏量的17.5%?？芍涸摴r下兩岸山體的滲漏量占總滲漏量的65.0%。在滿足設(shè)計(jì)要求的滲控標(biāo)準(zhǔn)下，全年總滲漏量很小，滲流場的分布規(guī)律比較合理，水頭等值線在瀝青心墻、帷幕灌漿等防滲系統(tǒng)內(nèi)部非常密集，表明心墻+帷幕的防滲系統(tǒng)可以有效折減河床段水頭。左岸2#沖溝側(cè)向滲漏滲徑較長，雖有少量明流，但出逸水流流速較小，水力坡降滿足砂礫石允許坡降，左岸側(cè)漏及繞壩滲漏均滿足防滲要求。河床段底部存在一個(gè)陡傾角的斷層f7，在該處易產(chǎn)生滲漏通道，采用混凝土塞+加深帷幕的方式減少河床段滲漏。河床段滲漏量占比為35.0%，滲流量較少，表明河床段防滲處理效果明顯。正常蓄水位工況整個(gè)模型孔隙壓力及滲流場分布如圖3～圖6所示。

3 結(jié) 論

（1）該工程左岸存在一個(gè)較低的2#沖溝，河床底部存在一個(gè)陡傾角的斷層，傳統(tǒng)的二維滲流計(jì)算已經(jīng)無法全面考慮工程的整體滲漏計(jì)算情況。本次計(jì)算建立了考慮2#沖溝的全地形、瀝青混凝土基礎(chǔ)開挖及整個(gè)防滲系統(tǒng)的三維滲流模型，用于全面評價(jià)整個(gè)工程滲漏情況。

（2）通過三維滲流計(jì)算表明：正常蓄水位工況下庫內(nèi)水流在經(jīng)過防滲體系后，總滲漏量占年徑流量百分比為0.165%，下游出逸點(diǎn)及覆蓋層的水力坡降均不大于允許坡降。左岸2#沖溝、河床底部f7斷層整體滲漏量很少，且無明顯滲漏及繞壩滲流現(xiàn)象，表明心墻+帷幕防滲體系設(shè)計(jì)合理，效果較為明顯。

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【責(zé)任編輯 張華巖】