墻幕結合防滲體系對深厚砂礫石壩基滲流影響分析

付 巍

（葛洲壩集團西南施工局，云南昆明 650305）

0 前 言

砂礫石地基在我國西南地區分布十分廣泛，是水利水電工程中常遇到的復雜地基層，其顆粒間膠結性差、滲透性強且孔隙分布不均等，組成很不均一，有時會伴有巨大的塊石、孤石或漂石，屬于不良地質條件。在此地基上建壩，壩基防滲是十分關鍵的問題。滲流安全在水利水電工程的整體安全中有著十分重要的地位，根據國內外大壩失事實例統計分析來看，由于滲透破壞發生的事故或潰壩占總數的30%～40%[1]。所以，深厚砂礫石層壩基防滲處理工作一直是工程重點研究的技術難點之一，也是整個工程建設成敗的關鍵所在。

目前，深厚砂礫石地基垂直防滲措施主要采用墻幕結合的防滲形式。墻幕結合的防滲形式摒棄了砂礫石地層灌漿中上部止漿困難而造成上部灌漿質量較差、防滲墻施工深度、工期和遇有大孤石或進入巖基中鉆孔成槽困難的缺陷，發揮了兩種方法各自的優點。在深厚透水層壩基中將兩者相結合，形成一種聯合的防滲體系，構成整個壩基的垂直防滲系統，從基礎防滲和節省工程投資角度來看，是一種既經濟又可靠的選擇。但是，目前受到施工技術和機械設備的限制，防滲墻的建造深度不可能無限大，而且隨著防滲墻的深度增加，防滲效果是否也保持良好的增長規律，值得深入研究探討。

1 工程概況

下坂地水利樞紐工程位于新疆喀什地區塔什庫爾干縣下坂地鄉附近，距塔什庫爾干塔吉克自治縣45 km，距喀什市315 km，距葉爾羌河干流卡群渠首190 km[2]。下坂地樞紐工程是以生態補水及春旱供水為主、結合發電的大型水利樞紐工程，為Ⅱ等大（2）型工程。攔河壩為瀝青混凝土心墻砂礫石壩，最大壩高78 m，正常蓄水位高程2 960 m，總庫容8.67億m3，電站總裝機容量150 MW，年發電量4.735億kW·h。

河床覆蓋層主要是由壩址下游的哈木勒堤溝古冰川的推進和后退及“堰塞湖”的形成與潰決等因素形成的第四系冰水堆積物、冰磧物。自下而上可分為三大類型：冰磧層、砂層透鏡體、沖洪積層和坡積層，滲透系數大，成分復雜，最大厚度147.95 m。壩基防滲體系布置為：混凝土防滲墻設計布置在大壩心墻下，墻頂軸線全長280 m，墻厚1 m，墻深85 m，在防滲墻頂部設灌漿廊道，從廊道中對防滲墻底部以下的覆蓋層進行深層帷幕灌漿，共設4排深66 m的灌漿帷幕，帷幕直達基巖，從而徹底截斷深厚覆蓋層。大壩剖面如圖1所示。

圖1 壩體、壩基剖面圖（0+220斷面）Fig.1 Profile of the dam body and dam foundation(on 0+220 section)

2 有限元數學模型

2.1 模型建立

計算區域的選擇:取壩體橫斷面寬400 m，最大壩高78 m，從壩體上游壩腳向上游延伸150 m，從壩體背水面壩腳向下游延伸150 m，從壩底向壩基延伸180 m。x方向以壩腳上游150 m處為原點，以順河向指向下游為正，向右取640 m；y方向以鉛直向上為正，取250 m，整體模型尺寸為640 m×250 m。采用平面三角形和四邊形單元對模型進行網格剖分。

共選取了6個垂直壩軸線方向的代表斷面進行計算，即樁號0+061斷面、0+140斷面、0+184斷面、0+220斷面、0+274斷面和0+360斷面。0+220代表性斷面計算網格如圖2所示。

圖2 0+220斷面計算網格圖（墻深為85m）Fig.2 Calculation grid of the 0+220 section(wall depth was 85 m)

2.2 材料參數

計算區域內共涉及8種材料，在模型中分別用不同的顏色表示。它們分別為壩體料（黃色），上部漂石層（粉紅色）、砂層（紅色）、漂塊石層（綠色）、含塊卵礫石層（紫色）、基巖（淡紅色）、防滲墻混凝土（淺綠色）、帷幕灌漿（綠色）和下游排水棱體（紫褐色）。計算中各種材料的滲透系數值見表1。

表1 材料滲透系數表Table 1:Permeability coefficients of the materials

2.3 計算工況

研究條件：取水庫建成后正常使用條件下最大水頭差（即上游為正常蓄水位2 960.00 m，壩后水位0 m）。根據計算條件，該工程的研究工況共41個，分別如下：初始優化階段，壩基河床段6個代表（0+61、0+140、0+184、0+220、0+274、0+360）斷面的防滲墻從20 m到85 m，以6 m為步長，共計41個工況。

2.4 邊界條件

滲流模擬區域的兩端邊界、地基地面沒有水流的流入和流出，此處定義為不透水邊界，壩體和地基上、下游與水接觸區域受水荷載作用，此處定義為水頭邊界。由于研究條件為水庫建成后正常使用條件下最大水頭差（即上游為正常蓄水位2 960.00 m，壩后水位0 m），所以上游與水接觸區域節點水頭定義為正常蓄水位高程H1=60 m，下游節點水頭定義為H2=0 m。

3 計算結果

根據敏感性參數的選擇，只給出壩后的水力坡降值和壩基流量值，其中壩后水力坡降值是指壩后一定范圍內的最大水力坡降值，這個范圍是指滲流分析中必需包含關鍵部位的范圍，一般這個關鍵部位位于溢出點附近。

通過有限元計算得到初始階段41個工況的計算結果，如表2所示。

根據表2中防滲墻在不同深度的壩基總滲流量和壩后最大坡降數值，可繪制出壩基總滲流量和壩后最大坡降值隨防滲墻深度變化的關系，如圖3和圖4所示。

表2 有限元計算結果表Table 2:Result of FEM calculation

圖3 壩基滲流量與防滲墻深度關系圖Fig.3 Relation between the seepage at dam foundation and the depth of the cut-off wall

圖4 壩后最大坡降與防滲墻深度關系圖Fig.4 Relation between the maximum hydraulic gradient be-hind dam and the depth of the cut-off wall

圖5為0+220斷面防滲墻深度為20 m時的流網分布圖。圖6為0+220斷面防滲墻深度為85 m時的流網分布。

圖5 防滲墻深度為20 m時0+220斷面計算結果圖Fig.5 Calculation result of the 0+220 section while the depth of the cut-off wall was 20 m

圖6 防滲墻深度為85 m時0+220斷面的計算結果圖Fig.6 Calculation result of the 0+220 section while the depth of the cut-off wall was 85 m

在0+220斷面上，當防滲墻深度為20 m時，壩后出現最大的水力坡降值0.007 2，遠沒有達到該工程要求的壩后最大水力坡降值0.05和《土石壩設計規范》要求的砂礫石層土體滲透破壞容許坡降值0.1。圖7為0+220斷面上防滲墻為20 m時壩后水力坡降等值線圖。

圖7 防滲墻深度為20 m時壩后坡降等值線圖Fig.7 Contour of the hydraulic gradient behind dam while the depth of the cut-off wall was 20 m

根據以上對壩體和壩基的有限元計算分析，當防滲墻深度為85 m時，相對防滲墻深度為20 m時，壩基滲流量減少了25.5%，壩后最大水力坡降降低了33.3%。由此可以得出：增加防滲墻的深度可以有效降低壩基滲流量及壩后最大水力坡降，極大提高壩體和壩基的滲流穩定性。但由圖3可以看出：當防滲墻修建深度在20～65 m之間變化時，壩基滲流量保持線性遞減的規律，防滲效果明顯改善；當防滲墻修建深度超過65 m之后，壩基滲流量的變化趨于平緩，即防滲墻修建深度的增加對控制壩基滲流量的作用越來越弱。

4 結論和展望

結合新疆下坂地水庫工程，采用有限元數值模擬計算的方法，研究分析得出深厚砂礫石地基墻幕結合防滲體系深度的變化對壩基滲流的影響規律：防滲墻布置深度的增加可以有效降低壩基滲流量和壩后最大水力坡降值，極大提高壩體和壩基的滲流穩定性；但是，防滲墻的建造并不是越深越好，當布置尺寸超過一定范圍后，壩基滲流量的變化趨于平緩，防滲體系對改善壩基滲流的作用不明顯。

由此，說明深厚砂礫石地基防滲體系中的防滲墻布置并非越深越好，存在一個最優布置深度。當然工程設計和施工中，影響防滲墻深度的因素很多，比如施工工期、工程造價、工程安全性、施工技術和設備水平等，因此，在今后研究中，可以充分考慮各方面的影響因素，針對深厚砂礫石地基墻幕結合防滲體系結構布置尺寸展開深入研究，以求得滿足工程安全性、經濟性的防滲體系結構布置尺寸。

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