非穩(wěn)定滲流條件下含類泥狀?yuàn)A層面板堆石壩三維滲流分析

張友輝，柳金泉，李 陽

（1.河南省固始縣白果沖水庫建設(shè)管理局，河南 固始 465236；2.中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100160；3.固始縣水利局河道管理處，河南 固始 465299）

1 工程概況

某水電站大壩工程位于國外某地，工程規(guī)模為大（2）型。水庫區(qū)河谷寬闊，岸坡總體上緩下陡；地層巖性較單一，主要分布有砂巖和泥巖；工程區(qū)旱季與雨季分明，降雨量大。上電站正常蓄水位為263m，死水位238m，面板堆石壩最大壩高125m，壩型采用混凝土面板堆石壩，右岸布置溢洪道、導(dǎo)流洞及泄洪放空洞?；炷撩姘宥咽瘔螇雾敻叱?66m，趾板河床建基面最低高程為141m，壩軸線長438.82m，壩頂寬度8.7m，上下游壩坡均為1∶1.4，上游壩坡采用鋼筋混凝土面板防滲，面板厚度從0.3m漸變到0.65m；下游水電站壩面采用干砌石護(hù)坡。壩體分區(qū)圖見圖1。混凝土面板堆石壩在填筑碾壓過程中，分層碾壓層面出現(xiàn)5～10cm 厚的粉細(xì)砂層，碾壓堆石料互層厚度為80cm；雨季碾壓施工時(shí)表面形成類泥狀物，導(dǎo)致堆石區(qū)產(chǎn)生80cm/10cm（堆石／粉細(xì)砂）的互層，由此在壩體內(nèi)部產(chǎn)生軟弱帶。該層的存在可能影響壩體中滲流場分布，使壩體防滲及穩(wěn)定性無法得到保證[1-3]。

圖1 壩體分區(qū)圖

為此，本文依托該混凝土面板壩工程，針對施工填筑期間產(chǎn)生的類泥狀?yuàn)A層，通過建立三維滲流有限元模型，開展不同工況的數(shù)值模擬，選取各工況下典型狀態(tài)，在非穩(wěn)定滲流條件下，研究該大壩滲流場變化情況，并依據(jù)分析結(jié)果對大壩整體穩(wěn)定性作出評價(jià)與判斷，可為同類工程提供借鑒與參考。

2 非穩(wěn)定滲流場分析計(jì)算模型

2.1 有限元模型構(gòu)建

本文三維滲流分析坐標(biāo)原點(diǎn)選取在整個(gè)模型的距壩軸線0±000.000 下游1605m、左岸1105m 處，底板高程為30m。綜合考慮天然地下水觀測水文地質(zhì)資料，距壩軸線上游740m 處設(shè)為上游邊界，下游1065m 處設(shè)為下游邊界，距壩軸線0±000.000 左岸1105m 處設(shè)為左岸邊界，右岸415m 處設(shè)為右岸邊界，模型底面為防滲帷幕最低點(diǎn)下延50m，三維模型尺寸大致為1520m×1805m×350m（寬×長×高），共劃分單元516943 個(gè)，節(jié)點(diǎn)105520 個(gè)。該工程區(qū)別于常規(guī)工程的特點(diǎn)在于層間泥質(zhì)夾層的影響，泥化夾層在模型構(gòu)建過程中，按薄層單元進(jìn)行考慮，因其與堆石料互層頻率較高。為減少工作量，同時(shí)兼顧到安全性，建立模型時(shí)泥質(zhì)夾層的厚度統(tǒng)一取為10cm。模型見圖2。

圖2 模型示意圖

2.2 材料計(jì)算參數(shù)選取

根據(jù)勘察資料，壩址區(qū)基巖為強(qiáng)風(fēng)化體，弱風(fēng)化體，微風(fēng)化體與新鮮巖體四部分。各材料的滲透系數(shù)見表1。

表1 材料滲透系數(shù)表

2.3 邊界條件設(shè)置及工況模擬

大壩壩頂高程266m，正常蓄水位為263m，死水位為238m。下游水頭邊界采用泄放校核洪水位168.8m；上游邊界由不同工況進(jìn)行調(diào)整；左右岸邊界由地質(zhì)剖面圖及鉆孔水位確定左右岸邊界處浸潤線位置為低于地面高程40m；模型底面為不透水邊界。

依據(jù)研究目的與現(xiàn)場實(shí)際分析需求，開展以下兩種工況進(jìn)行研究，見表2。

表2 不同工況參數(shù)表

3 壩體三維計(jì)算與分析

3.1 蓄水工況下滲流分析

為便于對蓄水過程進(jìn)行展示，選取初始高程160m 穩(wěn)態(tài)，蓄水至高程200m 瞬態(tài)，蓄水至高程263m 瞬態(tài)，蓄水至高程263m 后穩(wěn)定一年，四個(gè)狀態(tài)進(jìn)行分析描述，圖3 給出了整個(gè)研究區(qū)域蓄水期的水頭分布圖。

圖3 蓄水工況下各狀態(tài)總水頭分布三維圖

由圖3 可見Y=0 平面中水頭分布基本與山體起伏一致，在庫水位抬升過程中，引水隧洞中的水壓力同步上升，對原有山體的滲流場產(chǎn)生一定的影響；隨著蓄水趨于穩(wěn)定，流場亦趨于穩(wěn)定，由蓄水至263m 和263m 穩(wěn)定運(yùn)行一年的結(jié)果可以看出兩者差異較小。顯然，蓄水工況下，類泥狀物對大壩滲流場影響不明顯。

3.2 泄放洪工況下滲流場分析。

同樣，為便于對水位降落過程流場進(jìn)行展示，選取初始263m 穩(wěn)態(tài)，降落至250m 的瞬態(tài)，降落到238m 的瞬態(tài)三個(gè)狀態(tài)進(jìn)行分析。圖4 為泄放洪期間的水頭分布圖。

圖4 泄放洪工況下各狀態(tài)總水頭分布三維圖

由圖4 可知，隨著庫水位下降，放空洞和引水隧洞中水壓力同步下降，兩岸山體相同位置處水頭降低，整體符合混凝土面板堆石壩滲流特征，類泥狀?yuàn)A層對此工況下滲流場影響不明顯。

3.3 特定剖面滲流分析

為充分反映滲流場分布情況，截取模型中12 個(gè)剖面，進(jìn)行分析，剖面位置詳見圖5。

圖5 各個(gè)剖面圖在模型中的位置分布圖

本文選取剖面X=873m 處，選定初始水位160m時(shí)及蓄水至263m 運(yùn)行一年后工況，重點(diǎn)分析研究斷面水頭分布、孔壓分布及浸潤線分布，具體結(jié)果見圖6、圖7 和圖8。

圖6 X=873m 處水頭分布圖

圖7 X=873m 處孔壓分布圖

圖8 X=873m 處浸潤線分布圖

對比圖6、圖7、圖8 可明顯看出：隨著壩體上游蓄水區(qū)的水頭抬升，在防滲帷幕位置水頭等值線圖分布集中現(xiàn)象越明顯，說明防滲體的作用隨水位的升高承擔(dān)越來越多水頭降。壩體內(nèi)的浸潤線整體變化不明顯，仍表現(xiàn)較為平緩。因?yàn)榛炷撩姘搴蛪误w滲透系數(shù)差異達(dá)幾個(gè)數(shù)量級，其引起水頭降的效果極為顯著。在防滲帷幕及面板作用下，類泥質(zhì)夾層對滲流場影響不明顯。

3.4 模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析

3.4.1 滲流量分析

壩體壩基和壩身滲流量是堆石壩滲控設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容之一[4,5]。為此，在對該面板堆石壩滲流分析的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)在大壩運(yùn)行期各部位的滲流量，見表3。

表3 大壩運(yùn)行期各部分滲流量統(tǒng)計(jì)表

3.4.2 水力坡降分析

根據(jù)面板堆石壩的特點(diǎn)可知，混凝土面板和防滲帷幕是最為主要的擋水構(gòu)筑物，其他部位的水力坡降都較小[6]。通過分析，壩體壩基各部位最大水力梯度基本出現(xiàn)在壩0+192 斷面，大壩蓄水時(shí)與泄放洪時(shí)的最大水力坡降分布情況匯總于表4、表5 中。

表4 蓄水期有關(guān)部位最大水力坡降計(jì)算值表

表5 降落期有關(guān)部位最大水力坡降計(jì)算值表

由表4、表5 可得：面板為防滲混凝土，且該工程為大（2）型，其臨界水力坡降在200 以上，分析得出在運(yùn)行期實(shí)際水力坡降最大值為186，小于規(guī)范要求，認(rèn)為面板不存在滲透破壞的問題，同時(shí)其他部分材料分析獲得的水力坡降均滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文依托國外某混凝土面板堆石壩工程，針對填筑期間出現(xiàn)的類泥狀物而產(chǎn)生的互層可能危及壩體防滲安全問題，考慮工程實(shí)際需求，建立有限元三維滲流分析模型，開展類泥狀物夾層對于壩體滲透的專項(xiàng)分析，深入研究不同工況下滲流場變化情況，據(jù)此對大壩的安全性狀作出評價(jià)。

（1）整體分析：從大壩橫斷面上的滲流壓力分布來看,計(jì)算斷面滲流符合一般面板土壩的滲流流場分布,未見有礙面板壩滲流安全的異常或畸變情況。

（2）滲漏量及滲透坡降分析：從大壩運(yùn)行期各部分滲流量來看，大壩總體滲漏量不大，壩體內(nèi)最大水平滲透坡降值在允許滲透坡降值范圍；在蓄水工況及泄放洪工況下，浸潤線下游漿砌石護(hù)坡中出逸，出逸滲透坡降小于壩坡允許滲透坡降。

綜合上述，按設(shè)計(jì)提供相關(guān)信息進(jìn)行三維滲流分析后，該大壩在蓄水期與泄放洪期總體滲漏量不大，類泥質(zhì)夾層存在對滲流場影響可忽略不計(jì)，其對大壩整體滲流穩(wěn)定不構(gòu)成威脅，壩體暫時(shí)沒有滲透破壞的風(fēng)險(xiǎn)。但是在施工過程中對于防滲效果及質(zhì)量需加強(qiáng)監(jiān)控，以確保防滲體系的完整及有效性