堆龍河下游梯級(jí)水閘庫(kù)區(qū)滲流場(chǎng)分析及滲控研究

馬 林，丁晶晶，蔡明光

（中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川成都 611730）

0 前 言

堆龍德慶區(qū)堆龍河兩岸綜合治理工程（下游）位于西藏自治區(qū)拉薩市堆龍新區(qū)境內(nèi)的堆龍河干流上。工程根據(jù)河道輸沙、小范圍內(nèi)集中清沙的河道功能要求，并結(jié)合水生態(tài)、城市居民親水性等需要，自上游向下游方向設(shè)置了4座梯級(jí)生態(tài)蓄水閘。根據(jù)地質(zhì)勘探，工程河段存在較厚的強(qiáng)透水砂卵石覆蓋層，生態(tài)蓄水閘工程建成蓄水后，庫(kù)區(qū)水位抬高，必然造成庫(kù)區(qū)滲流場(chǎng)變化，導(dǎo)致庫(kù)岸浸沒、滲透穩(wěn)定及庫(kù)區(qū)生態(tài)蓄水平衡等工程問題［1-2］。堆龍河生態(tài)蓄水閘蓄水后形成的水庫(kù)屬城市型水庫(kù)，庫(kù)岸兩側(cè)已建成或待建大量建筑，庫(kù)岸地下水位抬升引起的浸沒問題勢(shì)必對(duì)這些建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生不利影響，而滲透穩(wěn)定及庫(kù)區(qū)蓄水平衡問題則直接影響水庫(kù)的安全及蓄水效果。關(guān)于滲流及防滲技術(shù)的研究已有大量文獻(xiàn)記錄［3-6］，本文結(jié)合工程河段地質(zhì)條件及工程設(shè)計(jì)成果，擬開展相關(guān)滲流分析及滲控方案研究工作，為工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 有限元計(jì)算模型及計(jì)算方案

基于滲流場(chǎng)與溫度場(chǎng)在基本理論、微分方程、初始條件及邊界條件的相似性，滲流計(jì)算采用ANSYS的熱分析模塊。已有的案例［7-9］顯示該熱分析模塊應(yīng)用于滲流場(chǎng)模擬，具有較好的可行性及可靠性。

1.1 有限元計(jì)算模型

根據(jù)堆龍河擬建閘壩庫(kù)區(qū)地形地貌、水文地質(zhì)條件及劃分出的兩岸浸沒區(qū)范圍，確定三維滲流場(chǎng)有限元計(jì)算模型范圍為：自4號(hào)閘壩軸線取至上游約740m，自1號(hào)閘壩軸線取至下游約160m，順?biāo)鞣较蚬?600m；左岸自3號(hào)閘壩中心往左岸約1250m，右岸自3號(hào)閘壩中心往右岸約1050m，模型橫河向長(zhǎng)度約為2300m；在高程方向模型從地表覆蓋層到基巖（相對(duì)不透水層）的完整地層，模型平均厚度約150m（見圖1）。

圖1 三維有限元模型

1.2 計(jì)算方案及計(jì)算參數(shù)

庫(kù)區(qū)初步設(shè)計(jì)防滲措施為：①閘前水平防滲由上游側(cè)膨潤(rùn)土防水毯、鋪蓋、閘底板三部分共同組成；②堤岸垂直防滲形式采用塑性混凝土防滲墻方案。

為了深入研究建閘蓄水后堤岸垂直防滲與閘前水平防滲措施的滲控效果，優(yōu)化閘壩防滲措施（閘前水平防滲毯、閘基垂直防滲墻），初擬以下3種滲控方案開展建閘后最高蓄水位條件下的滲流計(jì)算研究。滲控計(jì)算方案見表1，庫(kù)岸各地層滲透系數(shù)見表2。

表1 計(jì)算方案

表2 庫(kù)岸各地層及防滲墻滲透系數(shù)

2 模型驗(yàn)證

根據(jù)堆龍河區(qū)域水文地質(zhì)條件的綜合分析，三維有限元模型在天然平水期的計(jì)算邊界按如下方法確定：①底邊界取為隔水邊界；②地表邊界，主要確定主河床水位，主河床水位根據(jù)BZK2鉆孔及BZK3鉆孔水位確定相應(yīng)河道斷面處的水位及河道水面坡降；③上下游邊界、左右岸邊界取為第一類邊界條件，即定水頭邊界條件，具體水頭值將通過天然滲流場(chǎng)反演分析各鉆孔水位確定，鉆孔位置及鉆孔水位見圖2和表3。

為論證計(jì)算模型邊界選取的合理性，提取水位觀察鉆孔部位的水位計(jì)算值與觀察值進(jìn)行對(duì)比分析如表3所示。從表3中可知，滲流反演計(jì)算得出的鉆孔水位與實(shí)際觀察水位的絕對(duì)誤差均值小于0.5m，相關(guān)系數(shù)約0.991，說明反演滲流場(chǎng)能夠較客觀地反映河道鉆孔區(qū)域的滲流特性。

表3 鉆孔水位計(jì)算值與觀測(cè)值對(duì)比分析結(jié)果

3 結(jié)果及分析

3.1 庫(kù)岸浸沒影響分析

圖3為庫(kù)岸區(qū)域蓄水前后滲流場(chǎng)分布及地下水位等高線及流勢(shì)，圖4為各方案蓄水工況區(qū)域地下水位變化值等值線。由圖3～4看出，堆龍河在擬建多級(jí)閘段兩岸地形較為平緩，從地下水滲流趨勢(shì)來(lái)看，區(qū)域天然平水期的地下水總體呈上游向下游補(bǔ)給為主，兩側(cè)向河床補(bǔ)給為輔的趨勢(shì)；蓄水后，由于河床水位抬高，堆龍河區(qū)域的地下水大致呈上游向下游補(bǔ)給、河床向兩岸流失的趨勢(shì)；在最高蓄水位期沿岸未設(shè)垂直防滲措施時(shí)，較天然平水期的地下水位抬升最大值達(dá)2.84m。

圖3 庫(kù)岸區(qū)域地下水位等高線及流勢(shì)

圖4 各方案區(qū)域地下水位變化值等值線

各方案下，垂直防滲墻形式以及閘壩防滲措施（上游水平防滲毯及閘基垂直防滲墻）對(duì)于庫(kù)區(qū)總體滲流場(chǎng)的地下水位影響程度有限，對(duì)地下水位的影響值最大不超過4cm，這是由于庫(kù)區(qū)的主要滲透通道為包括河床內(nèi)外的最大厚度大于80m的強(qiáng)透水松散-密實(shí)卵石層，而懸掛式防滲墻深度8m，無(wú)法完全截?cái)嗪拥老騼砂兜臐B漏通道，故防滲墻對(duì)于庫(kù)岸區(qū)域的整體地下水水位影響并不顯著。

3.2 庫(kù)區(qū)水量平衡分析

建閘蓄水后，因庫(kù)區(qū)地層組成物質(zhì)主要為強(qiáng)透水的卵石層，庫(kù)區(qū)易發(fā)生排泄型滲漏，滲漏程度直接影響庫(kù)區(qū)的蓄水效果。經(jīng)計(jì)算，各方案庫(kù)區(qū)最高蓄水位期較天然平水期的庫(kù)區(qū)總滲漏量差見表4。

表4 各計(jì)算方案庫(kù)區(qū)最高蓄水位較天然平水期的庫(kù)區(qū)滲漏量差

由表4可知，堤岸無(wú)垂直防滲墻措施時(shí)，四級(jí)閘庫(kù)區(qū)的總滲漏量約為4.82m3／s，略大于河道枯水期最小來(lái)水量4.7m3／s，不能滿足建閘后的河道綜合治理蓄水要求。在設(shè)置沿堤岸8m深防滲墻方案下，庫(kù)區(qū)最高蓄水位較天然平水期的庫(kù)區(qū)滲漏量差均小于枯水期平均最少來(lái)水量4.7m3／s。相較于堤岸不設(shè)防滲墻工況，如設(shè)置沿堤岸8m深塑性混凝土防滲墻，河道內(nèi)總滲量減小41.68%；設(shè)置沿堤岸8m深高壓旋噴防滲帷幕后，使河道內(nèi)總滲量減小32.53%。方案四在閘壩處防滲措施采取閘底垂直防滲墻后，使河道內(nèi)總滲量減小44.39%，與方案二的防滲效果相比只提升了2.71%，可見閘基的水平防滲和垂直防滲措施對(duì)河床的總滲漏量影響較小。

3.3 河床覆蓋層及閘壩結(jié)構(gòu)滲透穩(wěn)定分析

最高蓄水位工況下，河道內(nèi)水位升高，可能引起河床覆蓋層滲透比降增大，當(dāng)滲透比降大于覆蓋層允許滲透比降時(shí)，會(huì)威脅到工程結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性。結(jié)合滲流計(jì)算結(jié)果在工程區(qū)域選取4個(gè)橫河向剖面（見圖5中剖面A-A′、B-B′、C-C′、D-D′）和4個(gè)順河向剖面（見圖5中剖面1-1′、2-2′、3-3′、4-4′），分析不同滲控方案下典型剖面的地層和防滲結(jié)構(gòu)的滲透比降分布規(guī)律。圖5為上述剖面在有限元模型研究范圍內(nèi)的布置示意。

圖5 典型剖面布置示意

各滲控方案下工程區(qū)域防滲結(jié)構(gòu)及典型剖面地層最大滲透比降見表5。從表5中可以看出，最高蓄水位工況下，方案一未設(shè)置垂直防滲措施，堤岸下方土層內(nèi)局部區(qū)域滲透比降最大值可達(dá)到0.64，遠(yuǎn)超允許滲透比降0.15～0.20，該情況下堤岸土層極有可能發(fā)生滲透破壞。

表5 各滲控方案下工程區(qū)域防滲結(jié)構(gòu)及典型剖面地層最大滲透比降匯總

堤岸塑性防滲墻與高噴防滲墻對(duì)減小堤岸土層滲透比降均有顯著效果，能有效避免地基發(fā)生滲透破壞。施作防滲墻后，閘基地層最大滲透比降分布在與閘前防水墊層前緣或閘室底板前緣接觸部位，堤岸最大滲透比降分布在與堤岸防滲墻接觸區(qū)域，最大滲透比降均在允許滲透比降0.15～0.2范圍內(nèi)，但從滲透比降的角度比較，懸掛式塑性防滲墻與旋噴灌漿式防滲墻存在一定差異，施作高噴防滲墻的情況下，墻體周圍地層滲透比降略大，導(dǎo)致滲流量有所提高。

4 結(jié)論與建議

針對(duì)堆龍河兩岸綜合治理工程梯級(jí)水閘庫(kù)區(qū)蓄水后的滲流問題，建立了庫(kù)區(qū)三維有限元模型，對(duì)不同防滲方案下的庫(kù)區(qū)滲流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算和分析。結(jié)果顯示得到以下結(jié)論。

（1）庫(kù)區(qū)蓄水后，各防滲方案均采用懸掛式防滲墻，對(duì)地下水位影響不顯著。為了減小建閘蓄水后的庫(kù)岸浸沒問題，需進(jìn)一步考慮在堤后增設(shè)排水設(shè)施或設(shè)備的可行性。

（2）庫(kù)區(qū)蓄水后，庫(kù)區(qū)滲漏主要以向兩岸滲漏為主。當(dāng)沿堤岸設(shè)置防滲墻后，可顯著減小滲透量，保證河道的建閘蓄水要求，而塑性混凝土防滲墻具有更好的防滲性；閘基防滲墻對(duì)降低庫(kù)區(qū)滲漏量效果不顯著。

（3）各方案設(shè)置防滲墻減小堤岸土層滲透比降有顯著效果，能有效避免地基發(fā)生滲透破壞。