大壩防滲墻參數(shù)敏感性分析

張永武

(甘肅省金昌市永昌縣西河水利管理處，甘肅 金昌 737200)

塑性混凝土防滲墻是土石壩體中較為常見的一種防滲結(jié)構(gòu)，由于其良好的防滲效果應(yīng)用越來越廣泛，為此，許多研究人員對此進(jìn)行了一系列研究。

余楓璞[1]以巖前水庫除險加固工程為例，研究了塑性混凝土防滲墻在水利工程中的關(guān)鍵施工工藝。馮蕊、何蘊(yùn)龍[2]考慮到了地震的影響，通過數(shù)值模擬手段研究了地震作用下深厚覆蓋層高壩壩基的防滲性能。許建堂[3]通過數(shù)值模擬手段，分析了不同因素對堆石壩地基防滲墻應(yīng)力應(yīng)變的影響情況。杜雪兒[4]結(jié)合彈性波映像及高密度面波探測技術(shù)，提出了一種堤防防滲墻完整性快速檢測方法，并通過相似模型試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。鄒德高[5]結(jié)合增量迭代法和有限元-比例邊界有限元耦合方法，對高瀝青心墻壩防滲墻受力狀態(tài)進(jìn)行了精細(xì)化分析，并探討了土體局部大應(yīng)變防滲墻應(yīng)力估算機(jī)制。劉達(dá)[6]采用數(shù)值計(jì)算分析、室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場檢測相結(jié)合的方法對大孔徑螺旋鉆鉆孔高噴防滲墻的受力特性和施工方法進(jìn)行了研究，并對防滲墻成墻效果進(jìn)行了評價。

隨著計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展，有限元數(shù)值模擬逐漸應(yīng)用到工程領(lǐng)域的計(jì)算中，展現(xiàn)出了良好的可靠性，成為重要的研究手段之一?，F(xiàn)如今，雖然對防滲墻的數(shù)值模擬研究眾多，但仍以二維模型為主，與實(shí)際情況存在一定差異，且對參數(shù)敏感性分析不足。在本文中，依托某土石圍堰工程案例，通過三維有限元數(shù)值軟件對壩體抗?jié)B性能和防滲墻的主要參數(shù)進(jìn)行了分析。本文的研究成果可為相似工程提供一定的借鑒、指導(dǎo)意義。

1 工程概況

本文依托某大壩工程為例。根據(jù)該工程的特點(diǎn)，擬采用混凝土防滲墻+鋪設(shè)土工膜的方式進(jìn)行防滲。最大壩高49.5m，壩頂長度430.6m，壩頂寬度為10m，壩底寬度為230m。根據(jù)監(jiān)測資料，近半年最大流量為4550m3/s，洪峰流量約為45000m3/s，蓄水期大壩水位48.5m，下游水位5.3m。

地質(zhì)條件方面，大壩地基主要為泥質(zhì)粉砂巖和含泥細(xì)砂巖，弱風(fēng)化巖層厚度在12～20m區(qū)間，具有較強(qiáng)的透水性，微風(fēng)化巖層厚度在20～30m區(qū)間，透水性極弱。圖1為該壩體斷面圖。

圖1 壩體斷面示意圖

2 數(shù)值模型

通過有限元軟件對大壩進(jìn)行了數(shù)值模擬，以分析防滲墻在大壩中的防滲效果。

模型上下游計(jì)算范圍均取約4倍壩體高度200m，底部邊界為基巖面以下75m，約1.5倍壩體高度。邊界條件方面，根據(jù)工程實(shí)際情況和以往模擬經(jīng)驗(yàn)，模型底部設(shè)為固定約束，四周為法向約束，頂部及坡面設(shè)為自由約束，上游水頭值設(shè)為52.5m，下游水頭值設(shè)為9.5m。依據(jù)壩體材料和修筑方式，將壩體劃分為三部分，即水上部分、水下部分和基巖。壩體材料遵循各向同性假設(shè)，根據(jù)滲透變形試驗(yàn)，對部分材料的滲透系數(shù)進(jìn)行取值，見表1。

表1 材料滲透系數(shù) 單位：m/s

實(shí)際工程中，土工膜厚度為1mm，為方便網(wǎng)格劃分，對土工膜進(jìn)行了等效處理，依據(jù)等效變換法，將土工膜等效成了厚度1m、滲透系數(shù)為1.0×10-9m/s的防滲單元。

在劃分網(wǎng)格時，對防滲墻和壩體坡腳等位置進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密，共劃分出38156個10節(jié)點(diǎn)的有限元網(wǎng)格單元，如圖2所示。

圖2 壩體有限元計(jì)算模型網(wǎng)格圖

在本次數(shù)值模擬中，防滲墻考慮的主要參數(shù)為防滲墻厚度和入巖深度。

防滲墻厚度方面，其他條件一定時，防滲墻抵抗?jié)B透破壞的能力由厚度決定，厚度越高，運(yùn)行狀況越好，但同時建設(shè)成本也越高。防滲墻厚度估算公式如下：

(1)

式中，d—防滲墻厚度，m；K—抗?jié)B安全系數(shù)，取5；H—防滲墻上最大作用水頭，本文為43.2m；[J]max—防滲墻破壞時最大滲透坡降，本文取300。

根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，平原地區(qū)的防滲墻厚度通常取0.6～1.3m，主要由施工條件確定。按梯度法，本文選取了0.6、0.8、1.0、1.2m四種防滲墻厚度進(jìn)行參數(shù)分析。

考慮到本項(xiàng)目的巖層特性，需將防滲墻延伸至基巖以達(dá)到滲流控制效果。根據(jù)上文所述，微風(fēng)化層基巖滲透系數(shù)為1×10-8m/s，因此以該層基巖作為不透水層。以2m為步長，對防滲墻0～12m入巖深度進(jìn)行參數(shù)分析。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 穩(wěn)定滲流分析

表2展示了有無防滲墻工況下在蓄水期和運(yùn)行期的孔隙水壓力對比情況。從表2中可以看出，蓄水期階段孔隙水壓力最小值為-762.79kPa，最大值為812.13kPa。運(yùn)行期階段，孔隙水壓力最小值為-774.92kPa，最大值為724.78kPa。有無防滲墻兩種工況相比，主要差異體現(xiàn)在運(yùn)行期階段，相較于無防滲墻工況，后者孔隙水壓力數(shù)值更大，表明設(shè)置防滲墻可以發(fā)揮出一定的防滲效果。

表2 孔隙水壓力計(jì)算結(jié)果 單位：kPa

為研究防滲墻各位置處的滲透情況，對防滲墻周邊布置有18個監(jiān)測點(diǎn)，具體監(jiān)測點(diǎn)布置情況如圖3所示。

圖3 各監(jiān)測點(diǎn)計(jì)算結(jié)果

圖3(a)為各監(jiān)測點(diǎn)總水頭分布情況，從圖3(a)中可以看出，在防滲墻上游蓄水期總水頭明顯大于運(yùn)行期水位，而在下游即監(jiān)測點(diǎn)10～18，蓄水期與運(yùn)行期總水頭較為接近，無明顯的差異。

圖3(b)為各監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓力分布情況。從圖3(b)中可以看出，孔隙水壓力沿監(jiān)測點(diǎn)分布曲線呈現(xiàn)“V”型分布，即先減后增的變化趨勢，最大孔隙水壓力出現(xiàn)在上游2#監(jiān)測點(diǎn)位置處，最小孔隙水壓力出現(xiàn)在下游10#監(jiān)測點(diǎn)位置處。兩階段相比，上游蓄水期孔隙水壓力明顯大于運(yùn)行期，但分布規(guī)律基本一致。最大孔隙水壓力為423kPa，最小孔隙水壓力為-47.2kPa。

圖3(c)為各監(jiān)測點(diǎn)滲透坡降分布情況。從圖3(c)中可以看出，滲透坡降曲線呈“M”狀分布，沿防滲墻中軸線對稱分布。3#～7#監(jiān)測點(diǎn)與12#～16#監(jiān)測點(diǎn)滲透坡降較大，峰值為34.6。兩階段對比，蓄水期滲透坡降明顯大于運(yùn)行期，但分布規(guī)律較為相近。

3.2 參數(shù)敏感性分析

圖4展示了防滲墻厚度為1m工況下不同入巖深度對壩體浸潤線的影響情況。從圖4中可以看出，隨著防滲墻入巖厚度的增加，壩體下游浸潤線呈現(xiàn)明顯下降趨勢，即壩體浸潤線高度與防滲墻入巖深度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明增加墻體入巖深度能明顯提高防滲墻抗?jié)B性能。但隨著墻體入巖深度的增加，壩體浸潤線下降程度逐漸降低，即效果逐漸下降。因此，應(yīng)考慮到實(shí)際施工情況，合理選擇防滲墻入巖深度。

圖4 防滲墻厚度為1m時不同入巖深度對壩體浸潤線影響

圖5展示了防滲墻入巖深度為2m時不同墻體厚度對壩體浸潤線影響情況。從圖5中可以看出，相較于無防滲墻，設(shè)置防滲墻后能顯著降低下游壩體浸潤線，體現(xiàn)了防滲墻良好的防滲性能，也說明了在流量大的區(qū)域設(shè)置防滲墻的必要性。增加防滲墻厚度，亦能降低下游壩體浸潤線，浸潤線高度與防滲墻厚度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，且隨著墻體厚度的增加，浸潤線高度呈現(xiàn)線性下降的變化規(guī)律。

圖5 防滲墻入巖深度為2m時不同厚度對壩體浸潤線影響

圖6展示了不同工況下壩體滲流各參數(shù)變化情況。圖6(a)為不同防滲墻厚度工況下壩基單寬滲流量隨防滲墻入巖深度的變化曲線。從圖中可以看出，隨著防滲墻入巖深度的增加，壩基單寬滲流量呈現(xiàn)線性下降趨勢。同一入巖深度條件下，各工況相比，防滲墻厚度越高，壩基單寬滲流量亦越低，兩者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖6 防滲墻厚度與入巖深度對抗?jié)B性能的影響

圖6(b)為不同防滲墻厚度工況下防滲墻后作用水頭隨入巖深度的變化曲線。從圖6(b)中可以看出，防滲墻后作用水頭受防滲墻入巖深度影響大于墻厚造成的影響，隨著入巖深度的增加，墻后作用水頭逐漸下降，在防滲墻入巖深度0～2m區(qū)間下降幅度最為顯著，且墻體厚度越小，下降幅度越明顯。

設(shè)置防滲墻后，防滲墻底部易存在滲透坡降集中現(xiàn)象的出現(xiàn)。圖6(c)為不同工況下防滲墻底部滲透坡降隨墻體入巖深度變化曲線。從圖中可以看出，隨著防滲墻入巖深度的增加，防滲墻底部滲透坡降呈現(xiàn)先減后增的變化趨勢，未呈現(xiàn)隨著入巖深度增加滲透坡降增加或減小的一般性規(guī)律。考慮到滲透坡降允許值為25，故防滲墻入巖深度設(shè)置在2～10m區(qū)間可滿足要求。各工況相比，墻體厚度越大，防滲墻底部滲透坡降越低，兩者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖6(d)為不同工況下壩腳溢出點(diǎn)滲透坡降隨墻體入巖深度變化曲線。從圖6(d)中可以看出，壩腳溢出點(diǎn)滲透坡降與墻體厚度和入巖深度均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。曲線拐點(diǎn)出現(xiàn)在墻體入巖深度為1m位置處，防滲墻入巖深度為1m工況較入巖深度為0m工況壩腳溢出點(diǎn)滲透坡降下降了46.81%。該位置處滲透坡降允許值為0.12，結(jié)合圖6(b)和圖6(c)亦可以看出，防滲墻厚度對滲透坡降影響較為有限。再結(jié)合施工成本綜合考慮，設(shè)置防滲墻厚度為0.8m入巖深度為2m即可滿足設(shè)計(jì)要求，為較佳參數(shù)[7]。

4 結(jié)語

為分析大壩防滲墻防滲性能及主要影響因素，本文通過三維有限元軟件建立了大壩防滲墻數(shù)值仿真模型，得出結(jié)論如下：

(1)孔隙水壓力沿監(jiān)測點(diǎn)分布曲線呈現(xiàn)“V”型分布，上游蓄水期孔隙水壓力明顯大于運(yùn)行期，但分布規(guī)律基本一致。

(2)相較于無防滲墻，設(shè)置防滲墻后能顯著降低下游壩體浸潤線，浸潤線高度與防滲墻厚度和入巖深度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。與防滲墻厚度相比，防滲墻入巖深度因素對墻后作用水頭影響程度更顯著，。

(3)壩體滲透坡降和壩腳溢出點(diǎn)滲透坡降受防滲墻入巖深度影響較大，滿足設(shè)計(jì)要求下，綜合經(jīng)濟(jì)效益，設(shè)置防滲墻厚度0.8m、入巖深度2m效果較佳。