混凝土壩壩基排水孔間距對滲流場的影響數值分析

焦曉帆

（陜西省寶雞峽引渭灌溉管理局 陜西 咸陽 712000）

對于建于基巖上的混凝土壩，壩基的滲流控制是其中一個關鍵問題，壩基滲流控制不合理往往造成較大的水量滲漏甚至影響大壩安全[1]。混凝土壩體往往設置排水廊道和排水孔來排出多余的滲水，而對于壩基的防滲措施較為復雜。混凝土壩壩基中一般采用上游帷幕作為主要的防滲措施，在帷幕下游側設置相應的排水孔幕，同時在壩基中再設置若干道排水廊道以及相應的排水孔幕，有的工程還在下游側設置消力戽并在消力戽中設置小范圍帷幕和排水孔幕[2]。在壩基中設置排水孔幕是為了排出滲水量，減小壩基揚壓力，保證壩基安全穩定。目前，排水孔的間距一般取為2m～5m[3]，不同的排水孔間距將取得不同的排水減壓效果，本文建立滲流計算整體有限元模型，在建立起混凝土壩壩基完整的防滲系統的基礎上，分析不同排水孔間距對壩基滲流控制效果的影響，為壩基排水孔間距的設置提供一定的參考。

1 排水孔的模擬方法

在壩基廊道底部或頂部通常布置有密集的排水孔。排水孔孔徑一般只有10cm左右，間距也只有2m～6m，但其空間分布卻達數百米[4]。排水孔在滲流場中直接將地下水排至滲流域以外，對水頭分布的影響極大，往往能對工程的滲流特性及滲控設計起到關鍵性的控制作用。排水孔的內部邊界在滲流場中是可能逸出面，排水孔的滲流行為在算法上可分為兩種情況來分析，一種是排水孔穿過滲流自由面，另一種是排水孔不與自由面相交。當穿過自由面時，排水孔內邊界面滲流自由面以上的孔段為不透水邊界，滲流自由面以下排水孔內水位以上的邊界面為逸出面，位于孔內水位以下的邊界面為已知水頭邊界。當排水孔不與自由面相交位于自由面以上時為不透水邊界，位于自由面以下時為已知水頭邊界。本文采用真實模擬排水孔位置而忽略其尺寸效應的方法模擬排水孔的作用，將排水孔作為有限元網格位于一條線上給定水頭的若干節點處理，通過多次迭代計算，確定最終需要施加給定水頭的節點。這種方法使網格剖分和排水孔邊界處理等過于復雜的問題得以解決，在處理數量巨大密集的排水孔時，是一種較簡單和方便的方法。這種方法雖然忽略了孔徑大小的影響，但在孔徑與單元網格間距相對比較小時，可以取得精確的結果[5-6]。

2 滲流場有限元模型

2.1 工程概況

某水電站以發電為主，水庫正常蓄水位1906.0m，相應庫容2.65億m3，電站裝機容量1280MW。該工程為二等大（2）型工程，擋水、泄洪、引水及發電等永久性主要建筑物為2級建筑物，次要建筑物為3級建筑物。攔河大壩為碾壓混凝土重力壩，大壩從左岸到右岸分別布置有左岸擋水壩段、左岸泄洪底孔、泄洪表孔、右岸泄洪底孔、右岸擋水壩段。壩頂高程1909.50m，建基面高程1772.00m，最大壩高137.5m。大壩壩頂長度245.00m，壩頂寬度10.0m，壩底最大寬度為99.0m。壩體斷面上游面垂直，下游坡比為1：0.72。根據工程的特點，重點對壩基防滲工程措施，概述如下：采用上、下游雙排防滲帷幕及排水幕，壩內設排水廊道，通過集水井和抽排措施降壓。壩基設兩道帷幕，上游一側帷幕深度要求進入相對不透水層（q＜1Lu）5m。帷幕深度多在50m～115m之間，帷幕最大深度126.4m。防滲帷幕由2排灌漿孔組成，孔間距2m，排間距1.5m；下游側單排帷幕深度約為30m。基礎灌漿排水廊道，高于基巖面3m～5m，帷幕后設主排水幕，排水孔孔深20m～25m，向下游傾斜15°。壩下0+030.50m設第一排水幕，直孔，孔深20m；壩下0+060.50m設第二排水幕，直孔，孔深20m；壩下0+088.00m設下游基礎灌漿排水廊道（僅河床泄水壩段），分別在左、右底孔兩側通過擋墻進入左右岸帷幕灌漿洞，形成下游防滲帷幕和排水幕，排水孔向上游傾斜15°，孔深20m。

2.2 有限元模型

根據工程特點建立三維滲流分析模型，分析壩基排水孔間距對壩基滲流場的影響。滲流計算模型向上游取3倍壩高，向下游取4.5倍壩高，壩基取2.3倍壩高。計算模型包含河床覆蓋層、強風化層、弱風化層、強卸荷帶、弱卸荷帶、完整基巖。模型大小為1006 m×900m×694m(長×寬×高)，對排水孔部位進行重點剖分，共剖分48566個結點，左岸基巖單元36795個，右岸基巖單元55783個，卸荷層單元8945個，風化層單元9949個，覆蓋層單元1250個。鉆孔處為第一類（已知）水頭邊界，水頭為斷面上鉆孔地下水位，模型最左右兩邊不處于地下分水嶺的面，為第一類（已知）水頭邊界，水頭為已知（預測）水位線高程，模型最左右兩邊處于地下分水嶺的面及其他表面（包括實測浸潤面）為第二類（已知流量）邊界，通過這些面的滲流量為零。壩體取計算幾何模型如圖1所示。

圖1 防滲系統幾何模型

表1 材料計算參數

表2 各工況不同部位滲流量

圖2 大壩最大剖面水頭等值線（單位：m）

本文采用真實模擬排水孔位置而忽略其尺寸效應的方法模擬排水孔的作用，將排水孔作為有限元網格位于一條線上給定水頭的若干節點處理，通過多次迭代計算確定最終需要施加給定水頭的節點。通過多次試算，在浸潤線以下的排水孔節點施加其相應的位置水頭，模擬透水邊界。

2.3 計算參數和工況

模型中大壩和帷幕的滲透系數分別取為1×10-10m/s和1×10-8m/s，其它部位的參數均根據實際工程資料反演獲得，如表1所示。本文進行排水孔間距為2m、3m、4m三種工況的穩定滲流場計算。

3 結果分析

本文的滲流分析是在正常蓄水位下，防滲帷幕、排水系統正常工作時，考慮不同壩基和消力戽排水孔間距下的穩定滲流場。上游水位為1906m，下游水位為1814.86m。計算壩基排水孔間距為2m和4m工況下，大壩最大剖面水頭等值線如圖2所示。

工程防滲、排水系統正常運行時，對壩基排水孔、壩體下游消力戽排水孔不同間距情況下的穩定滲流場進行比較。由子工況1、2、3的結果可知，不同排水孔間距下，上游水位變化不明顯。排水孔越密時，壩基因為加大排水孔密度，使得壩基排水能力增強，加大了大壩下游附近水頭消減的作用，這對減小廠房區和壩址區的水頭是有利的。由圖2可以看出，壩基排水孔、壩體下游消力戽排水孔間距對滲流場的水頭分布影響很小，壩體和地基中水頭線的分布基本一致，主要在排水孔和排水廊道附近產生一定的差異，其它斷面的水頭等值線也呈現出相同的變化趨勢，說明壩基和消力戽中的排水孔間距對壩體和壩基的水頭等值線影響并不明顯。

排水孔間距為2m和4m時，河床段帷幕滲透坡降為18.8和17.6左右，帷幕后河床段壩基揚壓力沿河水流向由大到小變化，壩基揚壓力無明顯變化。可見，將壩基排水孔、壩體下游消力戽排水孔間距由3m調整為2m或4m，對壩址區整體滲流場及壩基揚壓力影響不明顯。排水孔間距對帷幕以及壩基接觸部位水力坡降、對壩基揚壓力分布影響也不明顯，只在排水孔部位產生一定的影響，其中較小的排水孔間距會引起較大的水力坡降。

表2為三種排水孔間距下各部位排出水量的比較表。由表可知，排水孔間距較小時，各部位所排出滲流量相應較大，但是滲流量增加得并不明顯，排水孔間距2m相對于4m時，壩基和消力戽滲流量只分別增加了5.7%和7.0%。說明排水孔間距對排水量的影響也不明顯。

4 結論

本文在系統分析地質和水文地質的基礎上，根據工程資料建立樞紐區三維模型，采用有限元方法分析排水孔間距對滲流場的影響。不同排水孔間距情況下，間距為2m時排水和消殺水頭作用更為明顯，河床段壩基揚壓力大小也有一定減小，但在不同間距情況下，滲流場結果差異并不大。因此，將壩基排水孔、壩體下游消力戽排水孔間距由3m調整為2m或4m時，對壩址區整體滲流場、壩基揚壓力以及滲流量的影并響不明顯。在進行壩基內的排水孔間距設計時，可以適當取較大值。陜西水利

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