黑河金盆水庫(kù)壩區(qū)三維滲控效應(yīng)評(píng)價(jià)與材料參數(shù)敏感性分析

周邠鵬， 柴軍瑞， 雷 艷

(1.西安理工大學(xué)， 陜西 西安 710048； 2.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 陜西 西安 710065)

1 研究背景

土石壩的滲流控制是減小地下水滲漏，降低地基、圍巖及壩體滲透壓力進(jìn)而改善其滲透穩(wěn)定性最重要的工程措施。土石壩工程中主要的防滲措施包括防滲墻、防滲面板、防滲帷幕和防滲鋪蓋等。為了揭示各種滲流控制措施的物理機(jī)制和滲流控制效應(yīng)，進(jìn)而評(píng)價(jià)工程的安全穩(wěn)定，需要對(duì)工程區(qū)滲流場(chǎng)及防滲系統(tǒng)的滲控效應(yīng)進(jìn)行精細(xì)模擬。

大量研究者已經(jīng)采用有限元方法對(duì)土石壩的滲流分析開(kāi)展研究。劉豪杰等[1]、江浩源等[2]、溫立峰等[3]、王正成等[4]研究了深厚覆蓋層上土石壩滲流控制技術(shù)，系統(tǒng)分析了覆蓋層地基的滲流控制效應(yīng)。毛海濤等[5]對(duì)無(wú)限深透水地基上土石壩的滲控效應(yīng)開(kāi)展了評(píng)價(jià)研究。陳守開(kāi)等[6]采用節(jié)點(diǎn)虛流量法對(duì)中、小型土石壩滲流場(chǎng)開(kāi)展了滲流分析。岑威鈞等[7]采用剔除單元法和滲透系數(shù)放大法對(duì)土石壩進(jìn)行了飽和-非飽和三維滲流場(chǎng)有限元數(shù)值模擬，研究了土工膜不同缺陷對(duì)大壩整體及局部滲流場(chǎng)的影響。涂揚(yáng)舉等[8]對(duì)瀑布溝土石壩進(jìn)行了滲流分析，計(jì)算了影響滲流安全關(guān)鍵部位的水力坡降。此外，沈振中等[9]、金建峰等[10]對(duì)土石壩的繞壩滲流進(jìn)行了計(jì)算和分析。已有研究較多地集中在土石壩樞紐工程的單體結(jié)構(gòu)方面，比如覆蓋層上的大壩、大壩兩岸的山體等。而評(píng)價(jià)土石壩工程的滲控效應(yīng)，進(jìn)而分析其安全穩(wěn)定，需要對(duì)整個(gè)樞紐區(qū)進(jìn)行精細(xì)模擬。

有限元數(shù)值分析方法是滲控效應(yīng)評(píng)價(jià)的主要手段，其主要難點(diǎn)在于滲流場(chǎng)的精細(xì)模擬。滲流場(chǎng)的精細(xì)模擬的主要要點(diǎn)是溢出點(diǎn)和自由面的確定，應(yīng)屬?gòu)?qiáng)邊界非線性問(wèn)題。目前滲流自由面的有限元數(shù)值模擬方法包括初流量法、剩余流量法、滲透系數(shù)調(diào)整法等方法[11-14]以及有著更嚴(yán)密理論基礎(chǔ)的變分不等式方法[15-17]。其中，Zheng Hong等[17]建立的Signorini型變分不等式提法，在理論上消除了出滲點(diǎn)的奇異性和由此引起的網(wǎng)格依賴(lài)性，在實(shí)際工程中應(yīng)用效果良好。陳益峰等[18]基于Signorini型變分不等式方法建立了分析含復(fù)雜滲流控制系統(tǒng)的穩(wěn)定-非穩(wěn)定滲流分析的SVA方法。Signorini型變分不等式方法較多運(yùn)用于地下廠房圍巖滲控效應(yīng)的分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)中，并已得到工程驗(yàn)證[19-20]，但是在土石壩樞紐滲流分析與評(píng)價(jià)中較少運(yùn)用。

本文采用Signorini型變分不等式方法對(duì)黑河金盆水庫(kù)壩區(qū)滲控效應(yīng)進(jìn)行精細(xì)模擬。通過(guò)建立樞紐區(qū)三維有限元模型評(píng)價(jià)了樞紐區(qū)滲流控制效應(yīng)和安全穩(wěn)定性，進(jìn)而開(kāi)展了樞紐區(qū)滲流場(chǎng)對(duì)黏土心墻、防滲帷幕及山體滲透性的敏感性分析。

2 滲流分析的變分不等式方法

滲流分析的變分不等式方法通過(guò)將傳統(tǒng)方法只對(duì)濕區(qū)定義和分析滲流問(wèn)題，擴(kuò)展到包含干區(qū)的整個(gè)區(qū)域上，并采用Signorini型互補(bǔ)條件描述潛在溢出邊界，即可采用理論基礎(chǔ)更加嚴(yán)密的Signorini型變分不等式方法求解含自由面的滲流問(wèn)題[17]。

為了完成對(duì)飽和滲透系數(shù)ks(m/s)按照公式(1)和公式(2)的調(diào)整，在變分不等式方法引入Heaviside階躍函數(shù)H(φ-z)作為相對(duì)滲透系數(shù)kr：

k=krks=H(φ-z)ks

(1)

(2)

式中：φ為總水頭，m；φ=z+p/γw；z為位置水頭,m；ε0為一任意小的值；Ωw為濕區(qū)；Ωd為干區(qū)。

在Darcy定律中，飽和區(qū)滲透系數(shù)取ks，非飽和區(qū)取為0，再將求解域由僅濕區(qū)Ωw擴(kuò)大到全域Ω。改變定義后的Darcy定律可用公式(3)表示：

v=-ks▽?duì)?v0

(3)

式中： ▽為梯度算子；v為水滲流的速度，m/s；v0為最始流速,m/s，通過(guò)引入v0來(lái)消除干區(qū)Ωd上的虛假滲流場(chǎng)。

上述各式中若φ與時(shí)間無(wú)關(guān)，則相應(yīng)的控制方程和邊界條件退化為穩(wěn)定滲流情況。公式(1)～(3)應(yīng)滿足下列邊界條件：

(1)水頭的邊界條件

(4)

(2)流量的邊界條件

(5)

(3)溢出面Signorini型互補(bǔ)邊界條件

(6)

(4)自由面邊界條件

qn|Ωw=qn|Ωd=0

(7)

針對(duì)上述偏微分方程提法，Zheng Hong等[17]和Chen等[15-16]分別建立了針對(duì)穩(wěn)定滲流和非穩(wěn)定滲流的拋物線型變分不等式提法。這種提法將溢出面Signorini型互補(bǔ)邊界條件與自由面邊界條件全部轉(zhuǎn)化為自然邊界條件，從而大幅度降低了選取試探函數(shù)的難度，該方法與偏微分方程提法在理論上是完全等價(jià)的。

3 工程概況

西安市黑河金盆水庫(kù)位于周至縣境內(nèi)黑河峪口以上1.5 km處。該工程于1996年開(kāi)工建設(shè)，2003年5月開(kāi)始蓄水試運(yùn)行。水庫(kù)正常蓄水位594.00 m，死水位520.00 m，總庫(kù)容2.0×108m3，壩后電站裝機(jī)量200 MW。樞紐主要建筑物由黏土心墻砂卵石壩、泄洪洞、溢洪洞、引水洞、壩后電站、左岸單薄山梁防滲處理及副壩等組成。

攔河壩為黏土心墻砂卵石壩，最大壩高為128.90 m，壩頂高程600.00 m，壩頂長(zhǎng)443.63 m，壩頂寬度11.00 m。上游壩坡1∶2.2，下游壩坡1∶1.5。壩體典型剖面圖1所示。心墻防滲體坐落在弱風(fēng)化巖石上；上、下游壩殼河床段座落在砂礫石覆蓋層上，兩岸置于清基后的巖面上。樞紐工程水泥帷幕防滲工程包括心墻基礎(chǔ)(含兩岸壩肩)、單薄山梁和副壩防滲帷幕灌漿3部分。心墻基礎(chǔ)防滲帷幕采用封閉式帷幕，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為單位吸水率q≤3 Lu，帷幕軸線與壩軸線重合，主帷幕孔深一般在40～80 m之間。兩壩肩岸幕采用單排孔帷幕，最大孔深位于左壩肩為105 m，右壩肩最大孔深75 m。單薄山梁防滲位于大壩左岸金盆北山梁，帷幕灌漿軸線長(zhǎng)1344.98 m，防滲帷幕按單排孔設(shè)計(jì)，孔距2 m，起灌高程為600.00 m，孔底高程為520.00 m高程。單薄山梁防滲標(biāo)準(zhǔn)為q≤5 Lu。副壩壩基防滲帷幕與單薄山梁防滲帷幕線相接，帷幕設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為q≤5～8 Lu。

樞紐區(qū)布置了滲流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)壩體和壩基滲透壓力、滲流量、繞壩滲流。壩體滲流壓力采用滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)。在樁號(hào)0+088、0+316和0+225 m斷面心墻和上、下游壩料中不同高程共布置21個(gè)測(cè)點(diǎn)。壩基滲流壓力采用滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)，在樁號(hào)0+088、0+225、0+316 m心墻與混凝土墊層之間和樁號(hào)0+225 m心墻混凝土墊層與基巖之間的帷幕上、下游共布置37個(gè)滲壓計(jì)測(cè)點(diǎn)。典型斷面的滲壓計(jì)布置如圖1所示。左、右岸山體采用地下水位監(jiān)測(cè)孔觀測(cè)地下水位，總共包含30個(gè)觀測(cè)孔。采用量水堰測(cè)量各關(guān)鍵部位的滲流量。

圖1 黑河金盆水庫(kù)黏土心墻壩典型剖面圖

4 計(jì)算模型

4.1 計(jì)算模型和邊界條件

采用變分不等式方法對(duì)黑河金盆水庫(kù)庫(kù)區(qū)進(jìn)行滲流分析與計(jì)算。三維滲流計(jì)算模型以河流橫向?yàn)閤軸，指向左岸為正；以河流流向?yàn)閦軸，下游方向?yàn)檎灰源怪彼矫娣较驗(yàn)閥軸，垂直向上的方向?yàn)檎Ｗ鴺?biāo)原點(diǎn)選取在大壩軸線河床中點(diǎn)位置的0標(biāo)高處。模型計(jì)算范圍取為上游邊界為防滲線上游200 m，右邊界為右岸灌漿隧洞端頭以右200 m，左岸邊界應(yīng)包括左岸灌漿隧洞、單薄山梁和副壩，下游邊界為下游壩腳以外400 m，基礎(chǔ)邊界為河床壩基帷幕以下200 m。

采用三維八節(jié)點(diǎn)六面體等參數(shù)單元模擬各分區(qū)滲流。網(wǎng)格劃分中，對(duì)黏土心墻、防滲帷幕以及壩體等重點(diǎn)部位網(wǎng)格進(jìn)行了適當(dāng)加密處理，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小的周?chē)襟w及大壩基礎(chǔ)部位的網(wǎng)格采用適當(dāng)過(guò)渡、減密處理。有限元模型總共剖分416 728個(gè)節(jié)點(diǎn)，390 521個(gè)單元，計(jì)算模型如圖2所示。模型上游施加上游水頭邊界；對(duì)于下游及壩體下游水位以上施加潛在出滲邊界，其余施加下游水頭邊界；左、右兩側(cè)以及底部均施加不透水邊界。

圖2 有限元計(jì)算模型

4.2 計(jì)算參數(shù)

黑河金盆水庫(kù)三維滲流計(jì)算分析考慮區(qū)域內(nèi)涉及的所有材料分區(qū)，共5種。各不同材料分區(qū)的滲流計(jì)算參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)，采用試坑法確定，在此基礎(chǔ)上類(lèi)比相似工程滲透參數(shù)，再對(duì)試驗(yàn)獲得的滲透系數(shù)進(jìn)行修正，從而確定最終參數(shù)，具體取值如表1所示。

表1 各材料分區(qū)滲流計(jì)算參數(shù)

5 結(jié)果分析

5.1 不同運(yùn)行狀態(tài)下滲流場(chǎng)分布規(guī)律與評(píng)價(jià)

為了分析不同水位運(yùn)行狀態(tài)下的水庫(kù)壩區(qū)滲控效應(yīng)，分別計(jì)算了死水位、正常蓄水位和校核洪水位情況下滲流場(chǎng)的分布規(guī)律。正常蓄水位情況下，x=0剖面(壩體最大剖面)和y=488.5 m剖面(建基面剖面)的水頭等值線如圖3和4所示。壩體壩基面典型位置處的總水頭和水力坡降分布規(guī)律如圖5和6所示。

圖3 x=0剖面總水頭及水力坡降等值線

圖4 y=488.5 m剖面總水頭及水力坡降等值線

由圖3和圖4可知，水頭等值線在壩體心墻部位分布較為密集，說(shuō)明心墻具有較好的防滲作用。通過(guò)心墻后浸潤(rùn)線明顯降低。壩體兩岸山體產(chǎn)生繞過(guò)壩體向下游滲流的情況。計(jì)算所得水頭等值線結(jié)果符合土石壩滲流的一般規(guī)律。在不同蓄水位上、下游水頭差作用下，由于帷幕具有相對(duì)基巖較小的滲透系數(shù)，因此在帷幕上、下游側(cè)產(chǎn)生相應(yīng)的水頭差。隨著上、下游水頭差的增加，不同部位帷幕上、下游側(cè)的水頭差相應(yīng)增加。正常蓄水位左右兩岸帷幕的最大水頭差較大，約為15 m。河床中心防滲帷幕的最大水頭差相對(duì)較小，約為6 m。由圖5可知，沿順河向通過(guò)心墻區(qū)域后，心墻上、下游側(cè)水頭產(chǎn)生明顯降落。沿著壩軸線方向，心墻內(nèi)部的總水頭值相差較小，說(shuō)明整個(gè)防滲系統(tǒng)沿壩軸線方向均發(fā)揮較好的防滲效果。由圖5和6可知，計(jì)算所得總水頭值與實(shí)測(cè)結(jié)果分布規(guī)律基本一致，正常蓄水位情況下壩體最大剖面基巖面高程處計(jì)算總水頭值與實(shí)測(cè)總水頭值相差2.3 m，發(fā)生在心墻上游側(cè)的位置，其余部位計(jì)算與實(shí)測(cè)總水頭值相差均小于2 m。結(jié)果表明，計(jì)算總水頭值與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，說(shuō)明本文采用的變分不等式方法可以用于大型土石壩樞紐工程的滲流計(jì)算。

圖5 不同蓄水位x=0，y=488.5m位置(壩體最大剖面基巖面高程處)總水頭和水力坡降沿順河向分布

圖6 不同蓄水位z=0，y=488.5m位置(壩軸線剖面基巖面高程處)總水頭和水力坡降沿壩軸線方向分布

計(jì)算所得不同工況下關(guān)鍵部位的最大水力坡降如表2所示。與關(guān)鍵部位上下游水頭差相對(duì)應(yīng)，關(guān)鍵部位的水力坡降隨著上游水位的增加而增加。其中死水位是水力坡降明顯較小，正常蓄水位和校核洪水位相對(duì)于死水位增加明顯。由圖5和6可知，順河方向心墻部位的水力坡降明顯大于兩側(cè)壩殼料的水力坡降，這是由心墻上下游明顯的水頭差引起的。沿壩軸線方向水力坡降在大壩最大剖面附近產(chǎn)生明顯較大的水力坡降，這是由最大剖面位置處上下游側(cè)較大的的水頭差引起的。總體而言，各部位的水力坡降均小于臨界水力坡降，各巖土層滿足滲透穩(wěn)定要求，說(shuō)明大壩整體防滲措施設(shè)置合理。不同工況下，不同部位滲流量計(jì)算結(jié)果如表3所示。隨著上游水位的增加，各部位的滲流量明顯增加，由于正常蓄水位與校核洪水水位的差異較小，因而兩工況下各部位滲流量差異也較小。正常蓄水位工況下總滲流量為201.47 L/s，其中左岸山體的滲流量為74.53 L/s，占總滲流量的37.18%，為整個(gè)壩區(qū)的主要滲流區(qū)。原因在于左岸山體較為破碎，其滲透系數(shù)較大。左岸副壩、右岸山體、壩體以及壩基滲流量相對(duì)較小。

5.2 黏土心墻滲透性敏感性分析

本節(jié)討論壩區(qū)滲流場(chǎng)對(duì)黏土心墻滲透系數(shù)的敏感性。在正常蓄水位情況下分別將黏土心墻滲透系數(shù)放大和縮小5倍進(jìn)行滲流計(jì)算，分析黏土心墻滲透系數(shù)對(duì)壩區(qū)滲流場(chǎng)的影響。不同黏土心墻滲透系數(shù)下，x=0，y=488.5 m位置總水頭和水力坡降沿順河向變化分布如圖7所示。z=0，y=488.5 m位置總水頭和水力坡降沿壩軸線方向變化分布如圖8所示。

圖7和8表明，黏土心墻滲透系數(shù)增加時(shí)，壩體內(nèi)部總水頭也相應(yīng)增加。這是因?yàn)轲ね列膲B透系數(shù)較小時(shí)，防滲性能較好，可以有效降低壩體內(nèi)部，特別是心墻下游側(cè)的水頭值。總體而言，不同心墻滲透系數(shù)情況下，水頭值相差較小，這是因?yàn)轲ね列膲B透系數(shù)的取值相差不大造成的。黏土心墻滲透系數(shù)縮小5倍時(shí)，左岸、右岸及河床帷幕部位的水頭差分別增大0.46、0.09以及2.37 m，可見(jiàn)黏土心墻滲透系數(shù)縮小5倍，增強(qiáng)了心墻的防滲作用，帷幕上、下游面水頭差均不同程度增大，尤其是河床中心防滲帷幕水頭差增加最大。

由表2可知，黏土心墻滲透系數(shù)增加時(shí)，各關(guān)鍵部位的最大水力坡降均相應(yīng)增加，但增加幅度整體較小，其中大壩下游坡腳處的最大水力坡降增大5.0%，相對(duì)于其他部位增加相對(duì)較大。因?yàn)轲ね列膲Φ臐B透系數(shù)很小，即使將黏土心墻滲透系數(shù)放大5倍，黏土心墻的滲透系數(shù)也相對(duì)較小，因此各關(guān)鍵部位的水力坡降和滲流流速變化較小。

由表3可知，黏土心墻滲透系數(shù)縮小5倍時(shí)，各部位的滲流量總體呈減小的趨勢(shì)，總滲流量減小幅度為1.17%，減小幅度很小。原因是黏土心墻不是本工程的主要滲流區(qū)域，總滲流量主要受山體破碎程度、金盆左岸單薄山梁及副壩的滲透系數(shù)控制。同樣將黏土心墻滲透系數(shù)增加5倍的情況下總滲流量略微增大，增大幅度只有0.57%，因?yàn)轲ね列膲B透系數(shù)放大后依然很小，且不是主要滲流區(qū)域。需要注意的是，黏土心墻滲透系數(shù)減小的情況下，左岸山體的滲流量反而會(huì)增加，這是因?yàn)閴误w防滲措施較好的情況下，迫使?jié)B透性較強(qiáng)的左岸山體產(chǎn)生較大的滲流量。

5.3 帷幕灌漿滲透性敏感性分析

在正常蓄水位情況下分別將帷幕灌漿的滲透系數(shù)放大10倍和縮小5倍進(jìn)行滲流分析計(jì)算，分析帷幕滲透系數(shù)對(duì)壩區(qū)滲流場(chǎng)的影響。不同帷幕滲透系數(shù)對(duì)x=0，y=488.5 m位置總水頭和水力坡降沿順河向影響變化分布如圖9所示；z=0，y=488.5 m位置總水頭和水力坡降沿壩軸線方向變化分布如圖10所示。

表2 不同工況關(guān)鍵部位最大水力坡降

圖9和10表明，帷幕滲透系數(shù)減小時(shí)，壩體內(nèi)部，特別是壩體下游側(cè)總水頭相應(yīng)減小。帷幕灌漿滲透系數(shù)縮小5倍時(shí)，帷幕上、下游面的最大水頭差均有較大幅度的增加，左岸帷幕、右岸帷幕及河床中心防滲帷幕上下游最大水頭差分別增大14.03、14.28及12.58 m。由達(dá)西定律可知其水力坡降增加，說(shuō)明帷幕的擋水效果有較大的增強(qiáng)。帷幕灌漿滲透系數(shù)放大10倍時(shí)上述關(guān)鍵部位水頭差分別減小14.03、14.90及5.74 m，可見(jiàn)將帷幕滲透系數(shù)放大10倍后，帷幕上、下游最大水頭差急劇減小，因?yàn)闈B透系數(shù)放大后的帷幕和基巖的滲透系數(shù)相仿，即帷幕幾乎沒(méi)有擋水能力。

圖7 不同黏土心墻滲透系數(shù)x=0，y=488.5 m位置總水頭和水力坡降沿順河向分布

圖8 不同黏土心墻滲透系數(shù)z=0，y=488.5 m位置總水頭和水力坡降沿壩軸線方向分布

圖9 不同帷幕滲透系數(shù)x=0，y=488.5 m位置總水頭和水力坡降沿順河向分布

圖10 不同帷幕滲透系數(shù)z=0，y=488.5 m位置總水頭和水力坡降沿壩軸線方向分布

不同帷幕滲透系數(shù)情況下各關(guān)鍵部位水力坡降如表2所示。由表2可知，帷幕滲透系數(shù)縮小5倍時(shí)，帷幕處的水力坡降增幅較大，因?yàn)獒∧粷B透系數(shù)縮小則擋水效果增強(qiáng)，帷幕上、下游面處的水頭差增大，水力坡降提高。左右岸帷幕處的水力坡降超過(guò)允許滲透坡降25.0，因帷幕工作環(huán)境受到周?chē)襟w的約束，因此可以認(rèn)為帷幕仍然處于滲透穩(wěn)定狀態(tài)。帷幕灌漿滲透系數(shù)放大10倍時(shí)，壩體下游坡腳和防滲帷幕的最大水力坡降具有較大的變化，其中壩體下游坡腳最大水力坡降增大5.0%，防滲帷幕的最大水力坡降減小54.96%，其中防滲帷幕的最大水力坡降減小幅度較大，因?yàn)獒∧粷B透系數(shù)減小則攔水能力減弱。

由表3可知，帷幕灌漿滲透系數(shù)縮小5倍時(shí)，各部位的滲流量總體呈減小的趨勢(shì)，總滲流量減小幅度為5.40%。因此將帷幕滲透系數(shù)縮小5倍在一定程度上減小了大壩下游的總滲流量，能較大程度地起到防滲作用，因?yàn)獒∧粷B透系數(shù)的減小增強(qiáng)了自身的防滲能力，延長(zhǎng)了上游水流的滲透路徑。將帷幕滲透系數(shù)放大10倍時(shí)，總滲流量明顯增加，因?yàn)獒∧粷B透系數(shù)放大時(shí)，其擋水效果減弱，穿過(guò)帷幕的水流增多，即滲透路徑縮短進(jìn)而使?jié)B流量增加。

5.4 壩基及山體滲透性敏感性分析

在正常蓄水位情況下分別將壩基及山體巖體滲透系數(shù)放大和縮小5倍進(jìn)行滲流計(jì)算，分析壩基及山體巖體滲透系數(shù)對(duì)壩區(qū)滲流場(chǎng)的影響。不同壩基及山體巖體滲透系數(shù)下，x=0，y=488.5 m位置總水頭和水力坡降沿順河向變化分布如圖11所示；z=0，y=488.5 m位置總水頭和水力坡降沿壩軸線方向變化分布如圖12所示。

圖11 不同山體滲透系數(shù)x=0，y=488.5 m位置總水頭和水力坡降沿順河向分布

圖12 不同山體滲透系數(shù)z=0，y=488.5 m位置總水頭和水力坡降沿壩軸線方向分布

圖11和圖12表明，壩基及山體巖體滲透系數(shù)增加時(shí)，壩體內(nèi)部總水頭相應(yīng)減小。隨著壩基及山體巖體滲透系數(shù)的增加，各關(guān)鍵部位的最大水頭差相應(yīng)增加。

壩基巖土滲透系數(shù)放大5倍時(shí)，左岸帷幕、右岸帷幕及河床中心防滲帷幕上、下游面最大水頭差分別增大12.96、13.87以及6.07 m。壩基及山體巖體滲透系數(shù)減小時(shí)，嚴(yán)重削弱了兩岸防滲帷幕的防滲作用，增強(qiáng)了河床中心防滲帷幕的防滲作用，兩岸主要是基巖阻水，河床中心主要是由心墻和帷幕阻水，因此兩岸帷幕上、下游水頭差很小，河床中心帷幕上、下游水頭差相對(duì)較大。

不同壩基及山體巖體滲透系數(shù)情況下個(gè)關(guān)鍵部位水力坡降如表2所示。壩基及山體巖體滲透系數(shù)減小時(shí)，除黏土心墻外，其余各材料的最大水力坡降均有較大幅度的減小。基巖滲透系數(shù)縮小增強(qiáng)了其擋水能力，黏土心墻將承擔(dān)更大擋水份額，因此心墻水力坡降增大；另一方面基巖滲透系數(shù)縮小，大壩上游會(huì)消耗了大部分水頭，因而需大壩下游承擔(dān)攔水的份額大大減小，因此帷幕、下游壩體坡腳及砂卵石料的水力坡降減小。

由表3可知，壩基及山體巖體滲透系數(shù)增大時(shí)，各部位的滲流量明顯呈增加的趨勢(shì)。壩基及山體巖體滲透系數(shù)縮小5倍時(shí)，計(jì)算的總滲流量減小了75.97%，壩基及山體巖體滲透系數(shù)放大5倍時(shí)，總滲流量增幅高達(dá)321.15%，說(shuō)明下游總滲流量對(duì)基巖滲透系數(shù)的變化很敏感，壩基及山體巖體是主要滲流區(qū)域。

6 結(jié) 論

本文采用Signorini型變分不等式方法對(duì)黑河金盆水庫(kù)壩區(qū)滲控效應(yīng)進(jìn)行了精細(xì)模擬。基于數(shù)值計(jì)算結(jié)果深入分析了壩區(qū)的滲控效應(yīng)及滲透穩(wěn)定性，研究了滲控效應(yīng)對(duì)黏土心墻、帷幕、山體材料參數(shù)的敏感性。所得主要結(jié)論如下：

(1)采用Signorini型變分不等式方法獲得的水頭和滲流量計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，說(shuō)明Signorini型變分不等式方法是精細(xì)描述土石壩樞紐滲流問(wèn)題的有效方法。

(2)壩區(qū)各分區(qū)滲流量和各關(guān)鍵部位的最大水力坡降均在安全穩(wěn)定范圍內(nèi)，工程滲控措施效果顯著。因左、右岸巖土體較為破碎以及受左岸西北方向金盆單薄山梁和副壩的滲流場(chǎng)影響，壩區(qū)總滲流量主要來(lái)源于左岸山體的滲流量以及繞過(guò)帷幕的滲流量。

(3)壩區(qū)滲控效應(yīng)對(duì)黏土心墻、防滲帷幕及山體材料滲透系數(shù)的變化均較為敏感，在實(shí)際工程的滲流計(jì)算中，準(zhǔn)確把握防滲結(jié)構(gòu)及山體的滲透性至關(guān)重要。