雅口航運(yùn)水利樞紐工程二期粉細(xì)砂圍堰滲流分析

程 燕，蔡文婧 ，薛 松 ，童富果

(1.中國葛洲壩集團(tuán)市政工程有限公司，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443002；3.湖北省水電工程施工與管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002)

0 引言

漢江雅口航運(yùn)水利樞紐工程(以下簡稱“雅口工程”)地處江漢中游的沖積平原地帶，圍堰填筑所需土石料相對匱乏。考慮到工程經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保要求，工程二期圍堰采用了當(dāng)?shù)睾哟哺采w的粉細(xì)砂作為主要填筑料，而粉細(xì)砂堰體和堰基透水性強(qiáng)，抗?jié)B透破壞能力差[1]，對滲流控制提出更高的要求[2]。圍堰選用復(fù)合土工膜搭接混凝土防滲墻作為防滲體系，復(fù)合土工膜是一種新型的防滲材料，其具有防滲性能好，造價(jià)低，便于快速施工等優(yōu)勢[3-4]，在圍堰工程中得到廣泛應(yīng)用[5]。但是，土工膜在鋪設(shè)和運(yùn)行的過程中，易受到人與機(jī)械碾壓及下墊層頂壓作用發(fā)生局部變形產(chǎn)生滲漏，導(dǎo)致防滲效果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求[6-7]。復(fù)合土工膜作為一種防滲材料，其滲透系數(shù)是工程應(yīng)用最關(guān)注的指標(biāo)之一，也是滲流分析中的關(guān)鍵參數(shù)。

完好的土工膜通常可視為不透水材料，滲透系數(shù)取值一般在10-13～10-11cm/s 之間[8]。而已建工程的滲流監(jiān)測結(jié)果及研究統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，防滲體系中，土工膜的實(shí)際滲透系數(shù)大多在10-8～10-6cm/s 之間[9]，表明土工膜在實(shí)際的運(yùn)行過程中不可避免的存在損傷滲漏。部分學(xué)者開展了土工膜的缺陷滲漏試驗(yàn)[10-11]，指出缺陷滲漏流量和滲透系數(shù)受多種因素的影響，包括土工膜損傷類型、壓力水頭及土工膜的種類等[12]?？傮w而言，目前對于土工膜的缺陷滲透特性仍缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識和較權(quán)威的理論支撐，仍需針對具體工程問題開展相關(guān)分析。

為評估土工膜損傷對粉細(xì)砂圍堰滲流穩(wěn)定性的影響，本文開展土工膜缺陷滲漏試驗(yàn)，確定土工膜損傷滲透特性，結(jié)合滲流模擬分析雅口二期圍堰最不利滲流工況下的穩(wěn)定性，為指導(dǎo)圍堰安全度汛提供支撐。

1 土工膜滲透特性測試試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)土工膜滲透特性試驗(yàn)裝置，包括壓力控制模塊，土工膜滲漏模擬模塊和滲漏量采集模塊3 個(gè)部分，如圖1 所示。土工膜滲漏模擬模塊主要由上、下2 個(gè)內(nèi)徑為8 cm 的空心圓桶以及中間夾持的土工膜組成。下桶裝有粉細(xì)砂夾砂卵石墊層以支撐土工膜，為大氣壓力環(huán)境；上桶可容納有壓水以模擬土工膜工作水壓，為有壓環(huán)境；土工膜與上下桶之間通過墊圈密封防止漏水。壓力控制模塊由空壓機(jī)、儲水壓力罐和壓力控制表組成，通過連接上部圓桶頂部，為試驗(yàn)提供穩(wěn)定供水水壓；滲漏采集裝置由電子天平和計(jì)算機(jī)自動采集系統(tǒng)組成，通過連接下部圓桶底部，實(shí)時(shí)采集穿透土工膜的滲流水量。

圖1 土工膜滲透特性試驗(yàn)裝置示意圖

本試驗(yàn)選用雅口二期圍堰所使用的復(fù)合土工膜進(jìn)行試驗(yàn)，該復(fù)合土工膜規(guī)格為200 g/cm2/0.3 mm/200 g/cm2。下墊層為河床覆蓋料粉細(xì)砂夾砂卵石，本試驗(yàn)通過模擬雅口二期圍堰土工膜施工、使用過程中的不利環(huán)境損傷土工膜，由于粉細(xì)砂和復(fù)合土工膜兩側(cè)的土工布對土工膜起保護(hù)作用，土工膜并未出現(xiàn)明顯的大孔洞破壞，復(fù)合土工膜下部選用圍堰使用的粉細(xì)砂墊層，底層采用透水性較好的透水石進(jìn)行試驗(yàn)。

為系統(tǒng)探究水壓力條件對土工膜滲透特性的影響，結(jié)合雅口二期圍堰運(yùn)行環(huán)境，設(shè)置1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、8 m、10 m、12 m、14 m、16 m、18 m 和20 m 共13 個(gè)壓力水頭工況。每個(gè)工況下，通過壓力控制模塊向土工膜施加恒定水壓，待土工膜上部水壓力穩(wěn)定后通過滲漏量采集模塊獲取土工膜滲漏水量。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

繪制一定壓力水頭下土工膜的滲漏水量、滲漏流量與時(shí)間的關(guān)系，如圖2 所示。從圖2可以看出，滲漏水量并不是隨時(shí)間呈線性增長，而是呈現(xiàn)增長速率減小的增大趨勢，最后呈線性增長；滲漏流量先減小，最后趨于穩(wěn)定。這表明土工膜在產(chǎn)生磨損破壞的情況下，隨著時(shí)間的增加，土工膜與下墊層貼合得更加緊密，且粉細(xì)砂易堵塞微小的裂紋型滲流通道，故滲漏流量減小。

圖2 滲漏水量、滲漏流量隨時(shí)間變化過程

為計(jì)算不同壓力水頭下的滲透系數(shù)，取每個(gè)水頭下最大的滲漏水量為計(jì)算參數(shù)，見表1所列。

表1 不同壓力水頭下的最大缺陷滲漏流量

假定滲流過程符合達(dá)西定律，在不同水壓力件下，土工膜的滲透系數(shù)可以由式(1)計(jì)算得到。

式中：k為滲透系數(shù)，cm/s；Q為滲漏量，ml/s；T為土工膜的厚度，取值為0.03 cm；ΔH為土工膜兩側(cè)水頭差，m；r為土工膜試樣的半徑，取值為4 cm。

圖3 展示了滲漏流量、滲透系數(shù)隨壓力水頭的變化。可以看出，當(dāng)壓力水頭小于5 m 時(shí)，滲漏流量隨著壓力水頭的增大基本呈線性增大，相應(yīng)的滲透系數(shù)趨于穩(wěn)定；而當(dāng)壓力水頭高于5 m 時(shí)，隨著壓力水頭的增大，滲漏流量增長趨勢逐漸變緩，滲透系數(shù)減??；該變化趨勢與劉鳳茹[13]等、李昱瑩[14]等研究者得到的結(jié)果相似。該變化趨勢是由于膜前壓力的增大，土工膜與下墊層骨料貼合更緊，減緩了水流的滲透，使得滲透率降低。土工膜在磨損后，滲透系數(shù)在10-7cm/s 量級，與已建工程滲透系數(shù)的實(shí)測結(jié)果在同一范圍內(nèi)。相較于完好情況下的土工膜，其防滲性能明顯降低。

圖3 滲流量、滲透系數(shù)隨壓力水頭的變化

2 圍堰滲流分析

雅口二期過水圍堰汛期從堰頂過流，滲流計(jì)算不考慮壩體和壩基的滲透水量，滲流計(jì)算的目的是：①確定浸潤線的位置，為堰體的穩(wěn)定分析提供依據(jù)；②確定粉細(xì)砂堰體和堰基的滲透梯度，確保堰體和堰基的滲透穩(wěn)定。

2.1 圍堰結(jié)構(gòu)特征

雅口二期圍堰上游中間斷面最大堰高達(dá)14.7 m，承受的滲透水頭最大，滲流穩(wěn)定最不利。圍堰由頂部子堰和過水圍堰兩部分組成，過水圍堰由砂卵石夾粉細(xì)砂戧堤進(jìn)占，在圍堰兩側(cè)形成砂卵石棱體，圍堰內(nèi)側(cè)采用當(dāng)?shù)夭牧戏奂?xì)砂為主要填筑料。子堰迎水面采用復(fù)合土工膜防滲，40 cm 厚砂袋護(hù)坡，基坑測采用土工布對粉細(xì)砂起到防護(hù)作用。在過水圍堰迎水面?zhèn)炔捎脡K石壓坡護(hù)底，并布置土工布對粉細(xì)砂堰體和堰基起到防滲反濾的作用；背水面?zhèn)炔捎?.5 m 寬管袋充填粉細(xì)砂護(hù)坡，并在其下層布置土工布和丙綸布反濾。子堰復(fù)合土工膜與過水圍堰上游面內(nèi)側(cè)60 cm 塑性混凝土防滲墻共同組成一道封閉的防滲體系，塑性混凝土防滲墻伸入基巖1 m。圍堰斷面結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 圍堰斷面結(jié)構(gòu)

2.2 計(jì)算模型與參數(shù)

依據(jù)圍堰斷面結(jié)構(gòu)建立圍堰有限元模型，該模型共劃分了8 種材料分區(qū)，包括粉細(xì)砂填筑料(覆蓋層)、砂礫石覆蓋層、砂巖層、拋石、管袋砂、C25 素混凝土、塑性混凝土防滲墻、土工膜，圍堰有限元網(wǎng)格劃分如圖5 所示。上游邊界取圍堰迎水面坡腳向上游延伸19 m，下游邊界取圍堰內(nèi)側(cè)坡腳向下游延伸45 m，底部取基巖面以下15 m。上游和下游圍堰兩側(cè)均為已知水頭邊界，計(jì)算區(qū)域頂部及底部均為不透水邊界。圍堰上游、下游均為已知水頭邊界，模型底部為不透水邊界。堰前最高水位55.68 m，基坑高程41.2 m。

圖5 圍堰有限元網(wǎng)格劃分

利用土工膜作為防滲體時(shí)，其厚度不足1 mm，在滲流計(jì)算中難以準(zhǔn)確模擬。故采用等效替代法，對土工膜滲流計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)等效轉(zhuǎn)換。等效替代法是在滲漏量相同的前提下，將復(fù)合土工膜轉(zhuǎn)換成等效厚度的防滲體，再進(jìn)行滲流計(jì)算。等效過程中基于流量守恒原則，沿用達(dá)西定律計(jì)算等效厚度和等效滲透系數(shù)，如式(2)所示。

式中：Q為土工膜的滲漏量，m3/s；k為土工膜的滲透系數(shù)，m/s；ΔH為土工膜上、下游水頭差，m；A為土工膜的滲透面積，m2；T為土工膜的厚度，m。

由圖3 可得，土工膜滲透系數(shù)在低水頭下最大，由其值約為7.0×10-7cm/s。在土工膜滲透性等效時(shí)，以此為依據(jù)，厚度為0.3 mm 的土工膜等效為厚度3 cm 的防滲體時(shí)，滲透系數(shù)應(yīng)等效放大100 倍，取值為7.0×10-5cm/s。過水圍堰頂部的混凝土面板較薄且跨度大，產(chǎn)生裂縫的可能性較高，對其滲透系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)折減，取值為8.0×10-4cm/s。其他材料分區(qū)的滲透系數(shù)依據(jù)工程報(bào)告取值見表2 所列。此外，為增強(qiáng)圍堰背水側(cè)的反濾和防沖能力，設(shè)置土工布和丙綸布結(jié)構(gòu)，但考慮到兩者厚度較薄，模擬過程中僅將其作為安全儲備進(jìn)行分析。

表2 圍堰填筑材料及河床覆蓋層滲透系數(shù)

2.3 滲流分析及度汛

1)滲流計(jì)算結(jié)果分析

水頭等值線分布如圖6 所示。由圖6 可以看出，浸潤線在防滲體系出現(xiàn)陡降，等勢線主要分布在土工膜和防滲墻位置，復(fù)合土工膜和防滲墻組成的防滲體系起到較好的防滲作用。堰芯填筑區(qū)域內(nèi)水頭等值線稀疏，最大滲透梯度為0.015，小于粉細(xì)砂允許滲透坡降，滿足GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[15]要求。逸出點(diǎn)位置接近基坑地面高程。逸出點(diǎn)以下的坡腳及堰基滲透梯度方向向上，滲透梯度的大小為0.1，小于發(fā)生管涌和流土破壞的允許滲透梯度值，滿足規(guī)范要求。該結(jié)果表明：采用土工膜搭接混凝土防滲墻的防滲體系能夠有效控制圍堰滲透梯度，防止粉細(xì)砂堰體滲透破壞。

圖6 水頭等值線分布圖

2)圍堰度汛

該新型圍堰結(jié)構(gòu)建成后，于2021 年8 月31 日經(jīng)歷了最大洪峰流量為13 000 m3/s 的洪水，上游堰前洪水位最高55.03 m，接近子堰頂高55.7 m，且圍堰未見明顯的滲透破壞現(xiàn)象。2021 年9 月1 日上午6 時(shí)，按防汛指揮部門統(tǒng)一部署，對二期圍堰上部子堰進(jìn)行了破堰充水、基坑過流；上部子堰體隨過堰水流自潰，過流期間最大流量為12 900 m3/s。過流后，上下游圍堰主體結(jié)構(gòu)完整，圍堰主體未發(fā)生明顯滲透失穩(wěn)情況。

3 結(jié)論

本文以雅口工程二期圍堰為例，研究以當(dāng)?shù)胤奂?xì)砂材料為主要填筑料，以土工膜為主要防滲體的新型圍堰及其滲透穩(wěn)定性問題，取得如下結(jié)論：

1)開展不同壓力水頭作用下土工膜損傷后滲透特性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)土工膜損傷，土工膜的滲漏流量初始最大，而后逐漸減小并趨于穩(wěn)定，滲透系數(shù)隨水壓力增大呈逐漸減小趨勢。

2)采用等效替代法對土工膜防滲效果進(jìn)行模擬，表明土工膜和塑性混凝土防滲墻組成的防滲體系能夠起到較好的防滲作用，粉細(xì)砂堰體和堰基的滲透梯度值滿足規(guī)范要求。

3)雅口工程二期圍堰成功經(jīng)受了2021 年漢江秋季特大洪水的考驗(yàn)，圍堰并未發(fā)生明顯的滲透破壞，證明該圍堰以河砂為堰體填筑料結(jié)合土工膜防滲結(jié)構(gòu)形式的可靠性。