混凝土面板砂礫石壩滲流特性研究

王黨在,王聯國，張泉恩，王瑞駿

(1.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072；2.中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002；3.西安理工大學水利水電學院 陜西 西安 710048)

1 前 言

我國幅員遼闊的西部地區，砂礫石材料廣泛分布于河床和岸坡灘地，壩料開采成本較低，因此，砂礫石壩比其他壩型具有更明顯的經濟性。試驗表明[1]，砂礫石料具有較高的抗壓強度，無論在飽和還是潮濕狀態下，其壓縮變形均較小，與爆破堆石料相比具有更高的變形模量。另外，砂礫石料具有一定的級配，且顆粒磨圓度較好，施工時容易壓實，是構筑高壩的良好材料。但由于天然級配的砂礫石料的離散性、間斷性和施工易分離性，其抗滲透性和抗沖刷能力比爆破堆石料差。特別是我國1993年青海溝后面板砂礫石壩的潰決更加重了人們對這一壩型安全性的疑慮。因此，研究砂礫料的工程特性以及混凝土面板砂礫石壩的壩體結構特點，對充分利用砂礫石料筑建混凝土面板砂礫石壩具有重要的意義。

從青海溝后水庫大壩失事分析[2-6]得出，砂礫石材料填筑的面板壩應有合理的壩體分區及填筑分區設計。結合國內外修建混凝土面板砂礫石面板壩的經驗來看，要確保壩體穩定，壩體的滲流控制是混凝土面板砂礫石壩壩體設計的關鍵所在。因此，在砂礫石壩壩體設計時，壩體合理的分區和采取有效的排水設施確保壩體的滲透穩定性，是砂礫石面板壩設計中所要考慮的主要問題。

本文以某面板砂礫石壩為實例，主要針對砂礫石料填筑的壩體是否設置排水體進行滲流計算以及壩坡穩定分析，通過不同工況計算結果對比分析，論證設置排水體的必要性。

2 工程概況

某混凝土面板堆石壩壩體填筑采用河床天然砂礫料，內設煙囪式排水體，下游局部壩體填筑采用開挖石渣料。大壩設計壩高138m，壩頂高程1 965.8m，防浪墻頂高程1 967m；設計壩頂寬12m，壩頂長度365m，上游壩坡1∶6，下游壩坡設“之”字形上壩道路，路間壩坡1∶1.5，混凝土路面寬10m，正常蓄水位1 962m。 壩體主要分為墊層區、過渡區、排水體、主砂礫石區、次砂礫石區、下游石渣堆石區6個區。大壩標準剖面如圖1所示[7]。

3 滲流分析基本理論與有限元模型

3.1 基本理論

根據達西定律及連續方程，當考慮土和水的壓縮性時，得到非均質各向異性非穩定滲流的基本方程為[8]：

(1)

圖1 混凝土面板砂礫石壩標準剖面(單位：m)

式中S——為儲水率或單位貯存量，(其值表示單位體積多孔介質，

當水頭降低一個單位時，

有多孔介質壓縮及水的膨脹

所釋放出來的水量)；

h(x，y，z)——為水頭函數；

kx、ky、kz——為以x、y、z軸為主軸的滲透系數，即正交異性三個主軸方向的滲透系數。

(2)

當各向滲透系數為常數時，上式為：

(3)

若為各向同性，即kx=ky=kz時，則變為拉普拉斯方程式：

(4)

3.2 密集型面板裂縫的滲流模型

根據文獻[10]所反映的將密集裂縫型面板視為宏觀準連續介質情況下的等效勻化滲流特性，建立面板滲流等效準連續介質模型，其表達式為：

(5)

式中Ky——等效勻化滲透系數；

μ——流體動力粘滯系數；

bei——裂縫等效寬度；

Ci——粗糙度修正系數；

ni——充填孔隙率；

L——為水面以下的面板長度。

3.3 滲流分析有限元模型

以大壩滲流場為主要研究目標，為適當減小計算量，對模型作了簡化：從偏于安全角度，不考慮面板上方的壓坡體；基巖概化為弱透水層，防滲帷幕深入基巖30m。選取壩踵向上游、壩趾向下游、河床向基巖下均取一倍壩高的范圍作為二維穩定滲流分析的計算范圍，并考慮在基巖內出現滲流的情形。基巖更深處的滲流十分微弱，可視為不透水層。

本文計算使用GeoStudio中的Seep2D模塊進行有限元分析，計算坐標系規定為：X軸正向為順河流方向，指向下游；Y軸正向為垂直方向，指向上方，與高程方向一致。

其幾何模型采用4結點4邊形等參單元進行剖分，壩體設排水體時的模型共劃分1 760個單元，1 858個節點，未設排水體時的模型共劃分為1 334個單元，1 422個節點。設排水體大壩二維有限元網格剖分見圖2，未設排水體大壩二維有限元網格剖分見圖3。

圖2 設排水體大壩二維有限元網格剖分

圖3 未設排水體大壩二維有限元網格剖分

有限元計算的邊界條件為：壩基上、下游側面以及底面在模型選取范圍外為不透水邊界，即滲流量為零；壩基上游頂面及下游基礎頂面、面板表面為已知的水頭邊界；下游排水棱體也為已知邊界，各工況均按下游無水考慮。

4 計算工況與參數

4.1 計算工況

根據本文研究內容，擬定混凝土面板砂礫石壩的二維穩定滲流分析計算工況如下：

(1)工況1：正常蓄水位1 962m，下游無水，面板無裂縫，水平趾板與面板間周邊縫以及防浪墻與面板間水平接縫止水完好。分別計算：①壩體內設置排水體；②壩體內未設置排水體。

(2)工況2：上游庫水位1 966m，下游無水，面板產生密集裂縫，水平趾板與面板間周邊縫以及防浪墻與面板間水平接縫止水完全失效。分別計算：①壩體內設置排水體；②壩體內未設置排水體。

4.2 計算參數

根據資料[9]，并參考其他同類工程，選取壩體材料及壩基滲透系數見表1。

對于面板產生密集裂縫的情況，采用等效準連續介質模型。參考文獻[10-11]，經計算面板的等效均化滲透系數K=1.78×10-4cm/s。

5 計算結果分析

本文滲流計算結果如下：各工況滲流計算結果主要部位對比見表2；工況1滲流計算結果見圖4～7；工況2滲流計算結果見圖8～11。

表1 壩體材料及壩基滲透系數

表2 各工況滲流計算結果主要部位對比

圖4 工況1設排水體滲流水頭等值線(單位：m) 圖5 工況1設排水體流速適量

圖6 工況1未設排水體滲流水頭等值線(單位：m) 圖7 工況1未設排水體流速適量

分析表明：工況1屬于正常工況，面板無裂縫，水平趾板與面板間周邊縫以及防浪墻與面板間水平接縫止水完好。從圖4和圖6可以看出：無論是否設置排水體，壩體內的浸潤線的位置都是極低的，自由面在面板內急劇降低，經墊層區、過渡區進入主堆石區，壩體內絕大部分處于干燥區，浸潤線溢出點位置也很低，基本與下游水位重合；壩體內設置排水體時浸潤線沿面板大致降到水平排水體壩體高程位置，沿水平排水體至下游排水棱體排出，此種情況下浸潤線位置稍低與未設置排水體的方案；總水頭在面板、帷幕處較密集，壩體上、下游均比較稀疏，說明水頭從上游到下游主要被防滲系統消耗，滲流控制系統起到了較好的防滲作用。從圖5、7可以看出：壩體內設置排水體時，壩體內滲水的流速相對于未設置排水體時較大，壩體內滲水較容易通過排水體排至下游，保持壩體干燥。結合表2可以得到：無論是否設置排水體，壩體滲流量均在同一數量級，但設置排水體時，其滲流量稍大于未設置排水體的情況，滲流量分別為13.48 m3/d和12.61 m3/d。

圖8 工況2設排水體滲流水頭等值線(單位：m) 圖9 工況2設排水體流速適量

圖10 工況2未設排水體滲流水頭等值線(單位：m) 圖11 工況2未設排水體流速適量

分析說明：工況2面板產生密集裂縫，水平趾板與面板間周邊縫以及防浪墻與面板間水平接縫止水完全失效。從圖8、10可以看出：無論是否設置排水體，壩體內的浸潤線位置都有顯著的升高，壩體絕大部分處于飽和狀態，浸潤線溢出點位置也明顯上升；壩體內設置排水體時浸潤線的位置低與未設置排水體的方案，溢出點的位置也明顯低，這樣使下游壩坡的抗滑穩定安全性增大；總水頭在壩體上、下游均有分布，說明在防滲系統破壞后壩體內大部分被滲水浸泡，且總水頭在下游壩坡分布比較密集，這對于下游壩坡的穩定很不利。從圖9、11可以看出：壩體內設置排水體時，壩體內滲水的流速矢量不均勻分布，較大的流速均分布在排水體內；而未設置排水體時，基本呈均勻分布，只是在排水棱體附近較大，這說明壩體內設置排水體時滲漏水更容易通過排水體排至下游。結合表2可以得到：設置排水體時的滲流量為619.49m3/d，未設置排水體時的滲流量為378.43m3/d，前者為后者的1.64倍，這也進一步說明了壩體設置排水體更易于排出壩體內的滲水。

6 結 語

本文以穩定滲流理論為基礎，對面板砂礫石壩壩體分區設計的兩種不同方案，即設置排水體和未設置排水體，分別進行二維穩定滲流有限元分析。計算結果表明：

(1)在正常工況下，對于面板砂礫石壩來說，無論是否設置排水體，壩體內的浸潤線的位置都是極低的，壩體內絕大部分處于非飽和區，浸潤線溢出點位置也很低；壩體內設置排水體時浸潤線位置稍低與未設置排水體的方案；從滲流量、壩體各部分最大滲透坡降值等方面比較均相差不多，但設置排水體時，壩體內的流速矢量分布在排水體內均較大，這說明此時壩體滲流排水較通暢。

(2)在非常工況下，無論是否設置排水體，壩體內的浸潤線位置都有顯著的升高，壩體絕大部分處于飽和狀態，浸潤線溢出點位置也明顯上升；壩體內設置排水體時浸潤線的位置低與未設置排水體的方案，溢出點的位置也明顯低，這樣使下游壩坡的抗滑穩定安全性增大；總水頭在壩體上、下游均有分布，說明在防滲系統破壞后壩體內大部分被滲水浸泡，但未設排水體時總水頭在下游壩坡分布比較密集，這對于下游壩坡的穩定很不利。從圖9、11可以看出：壩體內設置排水體時，壩體內滲水的流速矢量不均勻分布，較大的流速均分布在排水體內，而未設置排水體時，基本呈均勻分布，只是在排水棱體附近較大，這說明壩體內設置排水體時滲漏水更容易通過排水體排至下游。結合表2可以得到：設置排水體時的滲流量為619.49m3/d，未設置排水體時的滲流量為378.43m3/d，前者為后者的1.64倍，這也進一步說明了壩體設置排水體更易于排出壩體內的滲漏水。

(3)對于非常工況下的面板砂礫石壩，設置排水體能明顯改變壩體滲流場，提高壩體的穩定性。因此，對于混凝土面板砂礫石壩，設置排水體是很必要的。

[1] 劉宏等.砂礫石土料的壓實特性[J].三峽大學學報，2002(8).

[2] 劉杰.溝后水庫潰壩原因初步分析[J].人民黃河，1994(7).

[3] 陳祖煌.溝后水庫大壩失事實錄[J].水力發電，1994(2).

[4] 李君純.青海溝后水庫潰壩原因分析[J].巖土工程學報，1994(11).

[5] 盛金保.溝后壩潰壩滲流初步分析[J].大壩觀測與土工測試，1996(10).

[6] 劉杰等.溝后面板砂礫石壩潰壩機理模型試驗研究[J].水利學報，1998(11).

[7] 王柏樂.中國當代土石壩工程[M].中國水利水電出版社，2004.

[8] 毛昶熙.滲流計算分析與控制(第二版)[M].中國水利水電出版社，2003.

[9] 白建軍等.烏魯瓦提混凝土面板砂礫石堆石壩壩料填筑滲透性淺析[J].水利水電技術，2003.

[10]王瑞駿.混凝土面板的溫度應力與干縮應力及其滲流特性[M].西安：西安地圖出版社,2007.

[11]王瑞駿等. 裂縫密集型面板滲流的等效準連續介質模型[J]. 西北農林科技大學學報(自然科學版).2006，34(12)209-214.