關聯帷幕防滲性能變化的重力壩結構穩定評價方法

彭 琦，高大水，高江林，張宇馳

(1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司， 湖北 武漢 430010；2.江西省水利科學研究院， 江西 南昌 330029)

重力壩是水庫大壩廣泛常用的壩型，重力壩穩定主要靠自重保持，壩基揚壓力方向與壩體重力方向相反，是不利于壩體穩定的荷載，對大壩穩定影響也較大[1-2]。1895年，法國壩高22 m的布澤(Bouzey)重力壩因設計時未考慮壩基揚壓力作用而失事，隨后幾十年也有重力壩因壩基劣化導致揚壓力增大而發生破壞[3]，逐漸引起國內外學者對揚壓力的重視和研究。工程上一般采用壩基帷幕灌漿結合排水孔措施，減小壩基揚壓力，提高大壩穩定安全性，在對新建重力壩穩定計算時，常規方法按有無新設防滲帷幕和排水孔，取折減系數乘以上下游水頭差計入揚壓力，采用抗剪或抗剪斷力學方法進行大壩結構穩定計算，并采用材料力學方法進行壩基應力計算[4-7]。常規方法適用于新建重力壩結構穩定計算，但對經長期運行的水庫大壩，受庫水滲壓和化學侵蝕，壩基帷幕防滲性能發生衰變，進而影響大壩穩定，按常規方法取折減系數計入揚壓力進行結構穩定計算會產生較大誤差[8-9]，需要分析壩基帷幕防滲性能變化對揚壓力的影響，進一步研究關聯帷幕防滲性能變化的結構穩定評價指標和方法。

1 壩基帷幕防滲性能對揚壓力的影響分析

為了解壩基帷幕防滲性能變化對揚壓力的影響，以某水庫砌石重力壩為例建立有限元計算模型(見圖1)，并選取正常蓄水位工況，以達西定律和滲流連續性方程為理論基礎進行數值計算分析[10-15]。

圖1 砌石重力壩三維模型

模型包括壩體和壩基，壩體分區包括砌石體、防滲面板、混凝土基礎，壩高44 m，壩頂寬8 m，下游壩面下部坡比1∶0.7；壩基分區根據巖石風化程度和透水性分上、下兩層基巖，并設置有防滲帷幕。

根據地質勘察鉆孔壓水試驗及類似工程經驗確定模型參數(見表1)，其中帷幕防滲系數k3作為變量，分別選取k3=(2+0.5i)×10-5cm/s，其中i=0,1,…，13,14。水庫正常蓄水位時上游水頭40 m，下游水位按基本無水考慮。分別計算得到正常蓄水位工況帷幕不同滲透系數時壩基帷幕中心線處O點的揚壓力(壓力水頭值)，繪制該點壓力水頭值-帷幕滲透系數關系曲線圖(見圖2)，隨著壩基帷幕防滲性能衰減，其滲透系數增大，壓力水頭也相應增大，隨著帷幕滲透系數逐漸接近所在基巖滲透系數，其增速由快變慢，直至完全失效而無法再起到防滲作用。計算提取其中帷幕基本完好時k3=2×10-5cm/s的壩基揚壓力分布(見圖3)，可見壩基帷幕起到了減小揚壓力作用，隨著帷幕防滲性能衰減而滲透系數增大，壩基帷幕中心線處O點揚壓力也會相應增大，進而將影響大壩穩定安全。

表1 計算模型各材料分區滲透系數表

圖2 壩基帷幕處壓力水頭與帷幕滲透系數關系曲線

圖3 壩基揚壓力分布圖

由以上分析可知，壩基帷幕防滲性能的變化對揚壓力的影響明顯，壓力水頭值與帷幕滲透系數之間為非線性增長關系，不同的帷幕滲透系數對應不同的壓力水頭值，即對應不同的折減系數，因此，帷幕防滲性能發生衰減變化時，揚壓力折減系數相應變化，會影響大壩結構穩定。

2 關聯帷幕防滲性能的結構穩定評價指標

2.1 評價指標函數

重力壩結構穩定受壩基帷幕防滲性能的間接影響，對重力壩結構穩定安全評價時，需考慮帷幕防滲性能的變化。以抗剪或抗剪斷穩定計算公式為基礎，引入帷幕滲透系數參數，建立結構與滲流的關聯函數。進一步對前述砌石重力壩計算模型進行有限元計算分析，分析防滲帷幕滲透系數與抗滑穩定及壩基應力的結構滲流相關性，得到帷幕滲透系數k3與壩基抗滑穩定系數K(抗剪穩定系數)、K′(抗剪斷穩定系數)的關系，并擬合繪制相關曲線(見圖4和圖5)，同時得到帷幕滲透系數與壩基垂直正應力的關系，繪制相關曲線(見圖6和圖7)。

圖4 壩基抗滑(抗剪)穩定系數-帷幕滲透系數關系曲線

圖5 壩基抗滑(抗剪斷)穩定系數-帷幕滲透系數關系曲線

圖6 壩基上游面垂直正應力-帷幕滲透系數關系曲線

圖7 壩基面下游面垂直正應力-帷幕滲透系數關系曲線

令k3=k×10-5cm/s，分析得到分別基于抗剪和抗剪斷公式的壩基抗滑穩定系數-帷幕滲透系數關系函數(見式(1)和式(2))，并分別得到壩踵和壩趾垂直正應力-帷幕滲透系數關系函數(見式(3)和式(4))。

K=0.0082k2-0.1362k+1.5071

(1)

K′=0.0082k2-0.1362k+3.3171

(2)

(3)

(4)

2.2 實例計算

3 關聯帷幕防滲性能的結構穩定評價步驟

(1) 收集有關工程資料及參數。首先需收集重力壩有關的設計、施工、質量檢測與安全監測等資料，必要時需補充進行試驗檢測，包括鉆孔取芯和壓水試驗等，以獲取重力壩壩體結構與壩基巖體的物理力學指標和滲透系數，對收集到的資料和試驗成果進行綜合分析，盡可能準確客觀地確定壩體和壩基各分區的參數。

(2) 建立重力壩有限元計算模型。選取典型壩段或壩體單寬斷面建立三維或二維有限元計算模型，一般選取壩高最高壩段或地質條件最不利壩段作為典型壩段，適當簡化后保留主要結構分區，并輸入分區計算參數，建立重力壩有限元模型。模型中地基深度應超過帷幕深度兩倍，壩踵上游長度和壩趾下游長度應不小于兩倍壩高；模型單元剖分精度應合理確定，在計算機運算速度滿足效率要求前提下適當精細[7]。

(3) 滲流計算并根據監測資料修正模型。根據實際運行條件確定重力壩的計算工況和水位，采用有限元熱分析模塊模擬進行滲流計算，得到各工況的滲流場分布，進而提取監測點位置節點的水頭計算值，并與相應監測點的滲壓水頭實測值進行對比，若計算值與實測值吻合，說明模型及參數整體上是合理的，若計算值與實際值存在明顯差異，應分析原因并對模型相應分區參數進行適當調整，反演試算后確定最終分區參數，使計算模型符合和接近實際情況。

(4) 建立結構穩定與帷幕防滲參數關系。通過有限元計算得到重力壩壩基揚壓力分布，進而按照抗剪公式和抗剪斷公式計算得到的壩基面抗滑穩定系數；有限元計算還可分別得到相應計算工況壩基上游壩踵和下游壩趾的垂直正應力；按此方法將壩基帷幕灌漿滲透系數作為變量，選取帷幕灌漿不同滲透系數，并計算對應的抗滑穩定系數和壩基應力，采用曲線擬合統計方法得到重力壩結構穩定與帷幕防滲參數關系曲線，分析得到結構穩定系數與應力的曲線擬合函數。根據壩基實際壓水試驗得到帷幕滲透系數，代入關系函數便可直接計算得到大壩的穩定安全系數和壩基應力。

(5) 求解帷幕滲透系數容許值并判別結構穩定。根據重力壩建筑物級別和運行工況組合，按有關設計規范要求可查得結構穩定及應力規范值，將規范值代入前述曲線擬合函數中，反算求解得對應的防滲帷幕滲透系數計算值，將其小值作為滿足結構穩定與應力要求的帷幕滲透系數容許值。將此容許值作為判別評價結構穩定的直接指標，當帷幕滲透系數小于等于該容許值時，可認為大壩穩定安全；當帷幕滲透系數大于該容許值時，可認為大壩穩定不安全。

4 結 論

(1) 重力壩壩基帷幕隨著運行時間增長，帷幕防滲性能在庫水滲壓和化學腐蝕作用下會逐漸衰減，壩基揚壓力隨帷幕滲透系數增加而增加，揚壓力折減系數相應增大，會影響大壩結構穩定。

(2) 壩基揚壓力與帷幕滲透系數呈非線性增長關系。隨著帷幕滲透系數逐漸接近所在基巖滲透系數，揚壓力增速由快變慢。

(3) 通過模擬建立重力壩模型并采用有限元計算分析，可建立重力壩結構穩定應力與帷幕滲透系數的關系函數，形成關聯帷幕防滲性能變化的重力壩結構穩定應力計算方法；采用此方法已知帷幕滲透系數即可直接計算得到大壩的穩定安全系數和壩基應力。

(4) 采用關聯帷幕防滲性能變化的結構穩定計算方法，可反算求解得到防滲帷幕的最小滲透系數，即為滿足大壩穩定要求的帷幕滲透系數容許值，將此作為帷幕防滲性能衰減對大壩穩定影響評判的依據，可對重力壩結構穩定安全進行更加客觀和準確的評價。