德黨河水庫大壩防滲設(shè)計及三維滲流分析

寸銀川，劉宇寬

(大理州水利水電勘測設(shè)計研究院，云南 大理 671000)

1 工程概況及基本地質(zhì)情況

德黨河水庫位于永德縣永康河支流德黨河上，距縣城2km。水庫功能是為下游永康鎮(zhèn)、小勐統(tǒng)鎮(zhèn)提供農(nóng)業(yè)灌溉用水和農(nóng)村安全飲水。水庫總庫容5317萬m3，年供水量5012萬m3，其中農(nóng)田灌溉供水4683萬m3，灌溉面積9.8萬畝，解決農(nóng)村飲水安全供水329萬m3。德黨河水庫規(guī)模為中型，樞紐區(qū)建筑物大壩為2級建筑物(壩高75.6m，為高壩)，溢洪道、輸水隧洞、導(dǎo)流泄洪隧洞為3級建筑物。

德黨河呈南西—北東向縱貫德黨小盆地東側(cè)，河道左岸地形相對開闊，山坡面向德黨河緩坡傾斜，右岸為斜坡—陡坡地形。壩址左岸表面為N2洪積堆積層，厚度約22.1～41.6m，堆積層為褐紅色含礫石粘土、碎(卵)礫石土，下伏T3nn頁巖、長石砂巖、T3d1玄武巖。河床段地表沖洪積層較薄，下伏T3nn頁巖、長石砂巖基巖。右岸地形復(fù)雜，起伏變化較大，岸坡勻稱性差，地形坡度陡緩變化大，地表殘坡積(Qedl)碎石土層較薄，下部T3nn頁巖、長石砂巖地層傾向與坡向構(gòu)成反向坡。壩址附近主要發(fā)育F1、F2及f1三條斷層。

2 壩體及基礎(chǔ)防滲設(shè)計

德黨河水庫大壩為粘土心墻石碴壩，壩高75.6m，壩長576.0m。壩頂兼作縣城東西兩城區(qū)連接公路，存在交通要求，根據(jù)城市交通道路路面寬度標(biāo)準(zhǔn)及壩體結(jié)構(gòu)要求，確定壩頂寬度為22.0m，道路為雙向四車道。

德黨河水庫壩體采用粘土心墻防滲，心墻軸線位于壩軸線上游側(cè)，距壩軸線8.5m，心墻頂部高程為1448.60m，高于校核洪水位0.33m，頂寬5.0m，心墻上、下游坡比為1∶0.25，底部最大寬度為41.55m。心墻底部設(shè)有結(jié)合槽，結(jié)合槽深不小于1.5m。由于左壩段壩0+000～壩0+257心墻基礎(chǔ)座落于N2砂礫石粘土堆積層上，所以壩0+015～壩0+257段的蓋板采用C20鋼筋混凝土，鋼筋混凝土蓋板垂直坡面厚0.8m；壩0+257～壩0+573段的蓋板采用C20混凝土，混凝土蓋板垂直坡面厚0.8、0.3m。根據(jù)反濾要求、層厚計算及施工條件要求，心墻上、下游側(cè)設(shè)兩層反濾過渡層，上游各層的水平寬度均為2.0m，下游各層的水平寬度均為3.0m。

大壩壩基、兩壩肩采用帷幕灌漿和混凝土防滲墻相結(jié)合的防滲方式，帷幕頂界以正常蓄水位1445.65m控制。左岸防滲邊界從左壩肩向外延長64m，右岸防滲邊界從右壩肩延長304m，帷幕灌漿軸線全長944m。

左岸坡及左壩段壩0-062.7～壩0+257段N2砂礫石粘土堆積層因透水體呈水平層狀分布，該類地層灌漿施工難度大，灌漿效果差，結(jié)合該地段的地形特點及壩體分期填筑施工安排情況，該段上部N2地層采用混凝土防滲墻，N2地層下伏基巖采用單排帷幕灌漿，孔距1.0m，帷幕灌漿與混凝土防滲墻垂直搭接長度5m，混凝土防滲墻厚0.4m，抗?jié)B標(biāo)號W6。河床及右岸段壩0+206～壩0+600.14段作用水頭較高，布置成雙排帷幕，排距1.0m，孔距2.0m；右岸壩0+600.14～壩0+880段因防滲線相對較長，從地面到灌漿底界深123～178m，施工難度大，質(zhì)量難以保證。因此，在右岸坡防滲帷幕灌漿分別在高程1450.8m和1400.8m處設(shè)上、下排灌漿平硐進(jìn)行帷幕灌漿，帷幕灌漿設(shè)單排帷幕，孔距1.0m。

壩基帷幕灌漿底界深入相對不透水層不少于5m。帷幕灌漿的防滲標(biāo)準(zhǔn)為透水率q≤5lu，采用純水泥漿灌漿?；炷练罎B墻厚40cm，采用C10粘土混凝土，粘土摻入量15%，抗?jié)B標(biāo)號W6。

3 水庫樞紐三維滲流場的建立

德黨河水庫壩基及兩岸地形起伏多變，地層復(fù)雜，樞紐區(qū)附近存在F1、F2及f1等斷層。為了提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在德黨河水庫三維滲流場有限元計算分析中，根據(jù)水庫樞紐的設(shè)計情況以及壩址區(qū)水文地質(zhì)資料，本次滲流場計算模型包括壩殼石碴料、反濾過渡層、粘土心墻、壩基覆蓋層、混凝土蓋板、排水棱體、防滲墻、防滲帷幕、地基等分區(qū)，其中根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告，在大壩左岸第三系N2地層?？紤]分期施工過程，對模型沿高度方向進(jìn)行單元分組。模型整體坐標(biāo)系采用右手坐標(biāo)系，取順?biāo)鞣较驗閄的正方向；豎直向上為Z軸正方向，沿壩軸方向從右岸到左岸為Y軸正向。其中，壩肩和壩基巖體模擬范圍向左右岸各延伸約1倍壩高，上、下游及底面邊界各向外延伸約3倍壩高。模型離散后共生成139499個節(jié)點，單元136285個，模型的主要單元類型為8節(jié)點六面體等參單元，為使網(wǎng)格協(xié)調(diào)，采用一定數(shù)量的6結(jié)點5面體、4結(jié)點4面體等單元過渡，在保證各控制點高程準(zhǔn)確的情況下，對模型進(jìn)行了適當(dāng)簡化，水庫粘土心墻石碴壩整體滲流場如圖1所示。

圖1 德黨河水庫粘土心墻石碴壩整體滲流場

4 滲流分析計算

滲流控制設(shè)計是德黨河水庫樞紐建筑物設(shè)計重要內(nèi)容之一，設(shè)計控制重點為：①控制粘土心墻、壩殼料、混凝土防滲墻及灌漿帷幕等部位下游的剩余水頭，降低下游壩體及兩岸坡上的滲流逸出高度，確保下游壩坡及岸坡的穩(wěn)定性，避免壩體各部位及壩基的滲透變形破壞，確保壩體、壩基和壩肩等滲流穩(wěn)定性，尤其關(guān)注左岸N2地層的滲透穩(wěn)定；②控制流量，使?jié)B漏損失量控制在允許范圍內(nèi)，充分利用水資源。

本次德黨河水庫樞紐三維滲流有限元計算分析工作也將主要從這些方面對各計算方案結(jié)果進(jìn)行分析。計算結(jié)果圖包括區(qū)域整體地下水位分布圖、典型剖面的水頭等值線圖等；計算結(jié)果包括典型材料的最大滲透梯度統(tǒng)計、關(guān)鍵部位水位計算成果表和各部位的滲流量計算成果表等。

根據(jù)水庫的壩體高度、基礎(chǔ)邊界條件、壩體布置及防滲控制范圍，確定計算區(qū)域邊界，上下游、左右岸截取邊界以及底邊界均視為隔水邊界面；對于地表邊界，壩體防滲軸線上游側(cè)，低于庫水位的地方為已知水頭邊界(水庫正常蓄水位為1445.65m)；在壩軸線下游側(cè)，同樣低于下游水位的地方為已知水頭邊界條件，高于下游水位的地方均設(shè)為可能滲流逸出面。

4.1 計算參數(shù)

滲流計算分析中壩殼石碴料、反濾過渡層、壩基覆蓋層采用試驗獲得的滲透系數(shù)試驗結(jié)果。由于粘土心墻的滲透系數(shù)現(xiàn)場監(jiān)測值很難達(dá)到室內(nèi)試驗值7.52×10-7cm/s，故結(jié)合多座同類粘土心墻壩工程現(xiàn)場實際監(jiān)測統(tǒng)計成果，模型中心墻料滲透系數(shù)采用1.0×10-5cm/s。排水棱體、防滲帷幕的滲透系數(shù)采用設(shè)計值。根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告，壩基、N2地層及F1斷層的滲透系數(shù)采用地質(zhì)勘察試驗值，各分區(qū)滲流系數(shù)見表1。

表1 滲流計算滲透系數(shù)采用值表

4.2 設(shè)計工況及內(nèi)容

計算工況及計算結(jié)果分析，參考土石壩設(shè)計施工規(guī)范及水庫以后調(diào)度運行情況，本次三維滲流有限元計算分析工況主要依據(jù)以下幾點設(shè)置原則：①考慮大壩在當(dāng)前防滲設(shè)計方案下，水庫正常蓄水位運行時壩體和壩基的滲流場特性，給出和分析滲流場水頭分布以及滲透梯度和滲流量的大小，并評估壩體及壩基的滲透穩(wěn)定性；②水位驟降情況下，上游壩體進(jìn)行滲透穩(wěn)定分析；③正常運行工況下兩岸繞壩滲流分析。

4.3 水力梯度分析及滲流量分析

從三維圖難以看出流線情況，為了直觀地對計算分析成果進(jìn)行表達(dá)，除繪制區(qū)域的整體滲流浸潤面外，還采用剖面滲流場進(jìn)行描述，各典型剖面位置為壩0+80、壩0+160、壩0+380、壩0+520。

由于靠近壩肩處0+80及0+520斷面較小，為方便查看了解流網(wǎng)狀態(tài)，只截取了0+380斷面，如圖2所示，其它部位以表列出關(guān)鍵部位的成果。

圖2 壩0+380典型斷面滲流結(jié)果

從計算成果可知大壩滲漏主要集中在壩基及心墻。從各圖等勢線分布來看，等勢線主要集中在大壩心墻、防滲墻及防滲帷幕部位，基巖體中的等水頭線分布合乎規(guī)律，圍繞防滲帷幕底端呈現(xiàn)常規(guī)形態(tài)的擴(kuò)散狀分布。心墻上游側(cè)孔隙水壓力隨深度增加而增大，下游側(cè)孔隙水壓力急劇減小，消殺水頭達(dá)80%～90%以上，說明心墻及帷幕組成的防滲系統(tǒng)防滲效果較好。各斷面正常水位工況下滲流計算結(jié)果見表2，顯示各斷面的粘土心墻、反濾Ⅰ、反濾Ⅱ及下游壩坡逸出點滲透坡降均小于對應(yīng)材料的臨界坡降，滿足規(guī)范要求。

表2 各斷面正常水位工況下滲流計算結(jié)果

4.4 水位驟降情況下上游滲流

水庫運行期可能出現(xiàn)緊急形成驟降情況，需分析判斷是否存在由于壩體內(nèi)的孔隙水壓不能及時隨坡外水壓的消失而消散，將產(chǎn)生指向坡外的反向非穩(wěn)定滲流，可能導(dǎo)致上游壩體出現(xiàn)滲透破壞。因此，有必要對驟降工況下的上游壩體進(jìn)行滲透穩(wěn)定分析。經(jīng)計算驟降時壩內(nèi)浸潤線如圖3所示，成果為水庫從正常水位驟降至死水位工況下典型斷面流網(wǎng)圖，由于粘土心墻料與壩殼石碴料的滲透性能存在一定差異，此處出現(xiàn)了較為明顯的反向滲流，浸潤線無法隨水位同步降落。根據(jù)計算結(jié)果，上游壩坡出逸處滲透坡降為0.10，反濾Ⅰ向上游反滲出逸處的滲透坡降為1.12，反濾Ⅱ向上游反滲出逸處的滲透坡降為0.078，粘土心墻向上游反滲出逸處的滲透坡降為0.35，由前述材料的允許滲透坡降可知，驟降工況下水庫上游壩體不會出現(xiàn)滲透破壞情況。

圖3 正常蓄水位驟降至死水位工況下典型斷面滲流結(jié)果

4.5 繞壩滲流分析

德黨河水庫壩址附近主要發(fā)育F1、F2及f1三條斷層。其中F1、F2縱貫庫內(nèi)外，與下游德黨河貫通，壩前f1斷層與庫外及低鄰谷貫通。因此，對兩岸進(jìn)行繞壩滲流控制分析十分必要。正常水位下防滲軸線處滲流計算結(jié)果如圖4所示，其中虛線為地質(zhì)勘察時鉆孔勘察得出的地下水位線，在F1斷層附近水位形成低槽區(qū)，經(jīng)防滲處理后計算結(jié)果顯示，蓄水后此處則較為穩(wěn)定。左右兩岸三維計算結(jié)果如圖5—6所示，孔壓自上而下遞增，等值線分布近乎平直，滲透坡降均低于允許值。從整體情況來看，地勢較低處的孔壓相對較高，且由上游水頭邊界向下游側(cè)遞減。根據(jù)不同部位及地層情況，德黨河水庫采取混凝土防滲墻、單排、雙排帷幕灌漿等綜合方案進(jìn)行防滲處理，發(fā)生兩岸嚴(yán)重繞壩滲漏的可能性不大。

圖4 正常水位下防滲軸線處滲流計算結(jié)果

圖5 左岸三維滲流計算結(jié)果

圖6 右岸三維滲流計算結(jié)果

5 結(jié)論

(1)通過計算在正常蓄水位工況下的穩(wěn)定滲流期，計算范圍內(nèi)日滲漏量為4530.38m3，年總滲漏量為81.55萬m3，約占興利庫容的2.02%，在設(shè)計防滲設(shè)計方案下，滲流量是可以接受的，符合一般規(guī)侓。

(2)三維流場截取流網(wǎng)圖顯示心墻上游側(cè)孔隙水壓力隨深度增加而增大，下游側(cè)孔隙水壓力快速減小，正常水位下浸潤線出逸點在壩腳，且滲透比降均小于允許滲透比降，滲透穩(wěn)定滿足要求。

(3)經(jīng)計算，發(fā)生正常水位驟降至死水位時，上游壩坡各部位材料不會出現(xiàn)滲透破壞。

(4)水庫壩址采用了混凝土防滲墻、防滲帷幕灌漿綜合方案進(jìn)行處理，發(fā)生兩岸嚴(yán)重繞壩滲漏的可能性不大。

(5)根據(jù)三維有限元滲流分析計算結(jié)果，本工程的防滲設(shè)計方案合理的，能夠有效控制水庫大壩滲流量及滲流穩(wěn)定，是水庫樞紐工程關(guān)鍵的控制措施，防滲帷幕(混凝土防滲墻)的施工質(zhì)量及完整性對壩體、壩基的安全很重要。因此，在混凝土防滲墻和帷幕灌漿施工中，應(yīng)嚴(yán)格控制施工質(zhì)量。