深厚覆蓋層混凝土防滲墻擋水性能敏感性分析

鄧理想， 吳俊杰， 王 景

（新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

目前，我國是世界上覆蓋層防滲形式采用防滲墻最多的國家，無論是深度、規(guī)模、材料、速度、工藝等方面都已達到國際先進水平。 然而，覆蓋層上修建水閘的滲流問題是工程安全運行最重要的因素之一，如果地基滲流控制不當會導致閘壩發(fā)生滲流事故和破壞，從而誘發(fā)重大質量安全事故[1-4]。據(jù)統(tǒng)計，近40 年，由于深厚覆蓋層上建筑物變形控制不當最終使得混凝土防滲墻、 銅止水產生破壞后失事的水閘和大壩， 約占失事工程的25%[5-7]，另據(jù)不完全統(tǒng)計，國外建于軟基及覆蓋層上的水工建筑物， 約有一半事故是由于上述關鍵部位破壞后，導致壩基逸出點滲透破壞、沉陷太大或滑動等問題[8-10]。 本工程在設計階段采用混凝土防滲墻進行全斷面防滲， 但是防滲墻及連接段銅止水好壞決定了整個工程能否安全運行，因此，評價防滲墻及銅止水的有效性對整個工程安全運行至關重要[11-15]。

本文采用大型商用軟件ABAQUS， 該軟件被廣泛地認為是功能最強的有限元軟件， 其滲流模塊能夠求解多孔介質的飽和滲流、 非飽和滲流及二者的混合問題[16，17]。 計算過程中可以考慮流體重力的作用， 并能夠求解流體總體的孔隙壓力或超孔隙壓力， 滲透定律可采用達西定律或更廣泛的非線性定律。 為保證工程后期安全運行，泄洪沖沙閘防滲墻需要進行破壞程度敏感性分析， 根據(jù)以往實際工程應用及工程經驗， 通過設計7 組方案建立的泄洪沖沙閘、連接板、防滲墻、護坦的三維滲流有限元計算模型， 當防滲墻破損率達到2%、5%、30%時，采用等效系數(shù)法控制防滲墻滲透系數(shù)模擬防滲墻破損情況。 同時，閘井與連接板間銅止水也是本次滲流安全分析所考慮的對象， 擔心基礎變形過大有可能破壞銅止水，因此，方案5、方案6、方案7 針對銅止水破壞后并與防滲系統(tǒng)破壞后組合形成最不利工況， 評價壩基滲透穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

ZG 水電站是葉爾羌河干流阿爾塔什以下河段水電規(guī)劃梯級開發(fā)中的第1 級電站， 為引水式電站，其上游為阿爾塔什水利樞紐，下游為恰木薩水電站。 ZG 水電站位于新疆喀什地區(qū)莎車縣霍什拉甫鄉(xiāng)境內，攔河樞紐距廠房9km，廠房距莎車縣約97km。 目前工程區(qū)右岸沿現(xiàn)有道路可達莎車縣霍什拉甫鄉(xiāng)， 霍什拉甫鄉(xiāng)現(xiàn)有道路與卡群水電站連接可至莎車縣、澤普縣；工程區(qū)左岸利用甘加特溝道路可達阿爾塔什進場道路，可至莎車縣；左右岸施工對外交通比較便利。

泄洪沖沙閘共設20 孔胸墻式水閘，孔口尺寸4.0m×4.0m（寬×高）。壩0+344.88m 至壩0+456.58m段共布置18 孔， 采用三孔一連， 結構長度為18.6m，共分為6 個結構段。 壩0+519.20m 至壩0+533.00m 段布置2 孔。閘進口底板高程1 595.00m，閘頂高程1 614.30m。 考慮閘門啟閉空間及閘墩頂部交通等因素，閘室長度取21m，為C25、F300 鋼筋混凝土結構，底板厚2.0m，中墩厚1.8m，三孔一連閘室邊墩厚1.5m，兩孔一連閘室邊墩厚2.0m，泄洪沖沙閘標準橫剖面圖如圖1 所示。 泄洪沖沙閘防滲系統(tǒng)為防滲墻+連板板+閘室， 防滲墻深度覆蓋層底部入巖1m，具體防滲結構大樣如圖2 所示。

圖1 泄洪沖沙閘標準橫剖面圖

圖2 泄洪沖沙閘防滲系統(tǒng)大樣

1.1 基本地質條件

ZG 水電站壩址區(qū)位于西昆侖山東部中低山區(qū)，葉爾羌河由霍斯拉甫大彎曲轉為較順直段，流向近北東向。 壩址為寬“U”形河谷，左岸有Ⅰ級—Ⅳ級階地分布，Ⅲ級、Ⅰ級階地分布不連續(xù)，Ⅱ級、Ⅳ級階地分布相對而言較連續(xù)，總體坡度在30°—35°，地形相對較緩。右岸為一北東向延伸的基巖山梁，岸坡自然坡度45°—55°。

其河床壩基段位于現(xiàn)代河床，寬約467m，地形平緩， 河床覆蓋層主要由單一成因的沖積砂卵礫石層組成。河床覆蓋層厚9—55m，覆蓋層未發(fā)現(xiàn)連續(xù)砂層分布，由上至下可分為二大層，上層為全新統(tǒng)沖積含漂石砂卵礫石層（Q4al），結構密實。下層為中更新統(tǒng)沖積砂卵礫石層（Q2al），多具弱-微膠結，結構密實。 壩基河床覆蓋層上部為含漂石砂卵礫石層，顆粒粗大，滲透系數(shù)K=6.93×10-2cm/s，下部中更新統(tǒng)沖積砂礫石層厚度9—51m，滲透系數(shù)K=5.0cm/s， 屬強透水層， 故壩基覆蓋層須全斷面防滲。 河床覆蓋層下伏基巖透水率q≤5Lu 界線埋深為基巖面以下5—31m。 壩基主要持力層上部Q4al含漂石砂卵礫石層厚度3.0—18.0m，承載力標準值0.35—0.40MPa，變形模量40—45MPa，其承載力和變形指標基本滿足堆石壩要求； 下部Q2al具弱-微膠結， 承載力標準值0.70—0.80MPa， 變形模量60—70MPa。河床下伏基巖為砂質泥巖、泥晶灰?guī)r、灰?guī)r和砂巖，以軟巖為主，結構面不發(fā)育，強風化層厚1.5—2.0m。 下伏基巖透水率q≤5Lu 界線埋深為基巖面以下5—31m。 由于壩基河床覆蓋層深厚，成因單一，但各層厚度變化大，物理力學性質存在一定差異，根據(jù)規(guī)范[17]要求壩基覆蓋層需要進行沉降變形驗算和連接板與泄洪沖沙閘沉降差符合計算。

2 有限元計算

2.1 模型及材料參數(shù)邊界條件

根據(jù)相關規(guī)范要求[17]水閘地基在各種運用情況下均應滿足滲透穩(wěn)定的要求。 由于本工程的泄洪沖沙閘位于深厚覆蓋層上， 閘室屬于軸對稱結構，根據(jù)泄洪沖沙閘結構和覆蓋層等條件，模型向左右岸延伸40m，順河向上、下游延伸至80m，深厚砂礫石覆蓋層55m，向下延伸30m 至基巖層，左右兩側及底部為為不透水邊界， 在確定上述模型邊界下， 建立本工程泄洪沖沙閘段的三維有限元網(wǎng)格模型， 建立三維滲流有限元網(wǎng)格模型用于滲流計算分析，采用等效滲透系數(shù)法擬定7 組方案，通過改變各自區(qū)域的滲漏系數(shù)來反應防滲墻破損程度。 結點總數(shù)為20 688 個，單元總數(shù)為14 887 個。護坦結點總數(shù)為1 806 個， 單元總數(shù)為1 220 個，防滲墻結點總數(shù)為2 184 個，單元總數(shù)為1 500，以上所有單元類型均為C3D8P 滲流應力單元， 有限元網(wǎng)格模型和網(wǎng)格剖分如圖3 所示。

圖3 泄洪沖沙閘段模型的有限元離散圖

根據(jù)規(guī)范要求查的本工程粗細粒的區(qū)分粒徑df計算為：

式中：df為粗細粒的區(qū)分粒徑特征值，d70為小于70%的最大粒徑值，d10為小于10%的最大粒徑值。

查顆粒平均曲線圖得出的pc=24%， 小于25%，壩基砂卵石的滲透破壞形式為管涌型。 覆蓋層臨界水力坡降（Jcr）如下：

式中：Jcr為臨界水力坡降，Gs土粒比重，n孔隙率，d20為小于20%的最大粒徑值，d5為小于5%的最大粒徑值。

分別控制黃原膠添加量0.05%，0.10%，0.15%；CMC添加量為0.05%，0.10%，0.15%；黃原膠：CMC（1∶1） 添加量為0.05%，0.10%，0.15%，研究其對酸奶凝固性的影響，確定最佳穩(wěn)定劑。

另取樣2 組進行室內滲透試驗， 其臨界坡降為0.12—0.16，結合經驗類比，建議壩基上的允許水力比降為0.1。模型中混凝土、Q4 砂卵礫石層、弱風化基巖、微風化基巖滲流計算參數(shù)如表1 所示。

表1 模型材料參數(shù)表

2.2 敏感性分析方案設置

為保證工程后期安全運行， 泄洪沖沙閘防滲墻需要進行破壞程度敏感性分析， 根據(jù)以往實際工程應用及工程經驗， 采用等效系數(shù)法控制防滲墻滲透系數(shù)模擬防滲墻破損情況， 即防滲墻破損2%、5%、30%時，防滲墻按照5lu、10lu、100lu 控制。

方案1：作為滿足設計要求的基本對照方案。

方案2、方案3、方案4：考慮變形過大或施工質量等問題導致混凝土防滲墻不同程度的破壞。

方案5、方案6：考慮銅止水導致混凝土防滲墻不同程度的破壞，制定了單因素影響方案。

方案7：考慮極限破壞工況（防滲墻遭到最大破壞同時兩道銅止水全破壞），制定方案。

具體敏感性分析方案設置如表2 所示。

表2 敏感性分析方案

2.3 數(shù)理統(tǒng)計方法

本工程砂礫石覆蓋層較厚， 計算總深度為覆蓋層55m，向下延伸30m 至基巖層，通過計算7 組方案的三維滲流分析確定防滲墻、 連接板銅止水關鍵部位如果破壞后， 產生的滲漏問題對閘室底部覆蓋層浸潤線及其下游出逸點的位置及出逸比降的影響。

通過三維穩(wěn)態(tài)滲流公式計算閘室覆蓋層在正常蓄水位不同敏感性下基礎的滲流穩(wěn)定性， 滲流量、下游出逸點及基礎滲透比降。 當不考慮液體與土質材料的壓縮性時， 三維各向異性非均質介質的穩(wěn)定滲流方程如下式[18]：

在三維滲流場的計算分析過程中， 主要采用以下三種邊界條件：

（1）初始條件給定，給定水頭Γ1：H=H0；

（2）不透水邊界條件Γ2：?H/?n=0；

（3）出滲面Γ3：H（x，y，z）=z（x，y），?H/?n＞0

式中，n為邊界外法線方向。

3 結果與討論

計算結果見表3 通過分析可知，方案1—方案4 隨著防滲墻破損程度越大，閘室覆蓋層基礎滲漏量不斷加大， 下游逸出點最大水力梯度也有所增大，但當防滲墻破損程度等價到100Lu 時下游逸出點最大水力梯度0.024，小于允許比降0.1 的要求。

表3 不同方案下大壩滲流量

方案5—方案6 是當不考慮防滲墻破損時，閘室與連接板之間的銅止水逐一破壞時， 閘室覆蓋層基礎滲漏量不斷加大， 下游逸出點最大水力梯度也有所增大，但當兩道銅止水全部破壞后，下游逸出點最大水力梯度0.109，此時，大于允許比降0.1 的要求。 表明銅止水全部破壞對閘室的滲透穩(wěn)定性比防滲墻破損要嚴重。

方案7 為了考慮極端工況， 即由于施工期影響因素或后期基礎沉降大變形影響， 防滲墻與銅止水全部破壞后，此時，閘室覆蓋層基礎滲漏量劇增是方案1 的174 倍， 下游逸出點最大水力梯度也有所增大為0.119，大于允許比降0.1 的要求。

從計算成果可知， 本工程防滲墻單獨破損達到30%后等價滲透系數(shù)為100Lu 時， 閘室滲透穩(wěn)定性不會受到致命影響。 基礎變形如果過大導致銅止水全部破壞即方案6 時， 閘室滲透穩(wěn)定性不滿足要求。 當遇到極端情況時即方案7 條件下，由于施工期影響因素或后期基礎沉降大變形影響，防滲墻與銅止水全部破壞后，如圖4 所示，閘室與防滲墻連接部位等水頭等勢線寬松， 表明漏水量加大； 如圖5 所示， 當方案7 極端工況時防滲墻后、 閘室與防滲墻連接板下孔隙壓力等值線圖壓力增大。 如圖6 所示，當方案7 極端工況時閘室與防滲墻連接部位流速最大， 下游出逸點滲透穩(wěn)定性不滿足要求，因此，閘室防滲系統(tǒng)對整個閘室穩(wěn)定性至關重要。

圖4 方案7 正常蓄水位泄洪沖沙閘基礎水頭等勢線（單位m）

圖5 方案7 正常蓄水位泄洪沖沙閘基礎孔隙壓力（單位KPa）

圖6 正常蓄水位泄洪沖沙閘基礎流速矢量場 （單位m/s）

4 結論

深厚覆蓋層上防滲系統(tǒng)的安全運行對整個工程至關重要，通過建立本工程泄洪沖沙閘、護坦、連接板、防滲墻的三維模型，通過有限元滲流計算分析防滲墻擋水性能完整性， 評價整個防滲系統(tǒng)中不同部位破損后對閘基滲透穩(wěn)定性的影響及關鍵程度，本次防滲系統(tǒng)中混凝土防滲墻，連接板銅止水的破損程度對工程整體的防滲效果影響都比較大， 但2 道銅止水的破壞及極限破壞組合對閘室滲透穩(wěn)定影響最大且不滿足要求，因此，合理控制基礎不均勻沉降， 可減小防滲墻因大變形產生的破壞及銅止水大沉降差， 從而確保工程的安全運行，依此，為同類型工程設計提供借鑒。 □