混凝土面板堆石壩止水失效滲透特性研究

陳 樂

(新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

面板堆石壩中存在周邊縫、垂直縫及水平縫等多種接縫，而每一種接縫均對應有效的止水結構來防止面板壩發生滲漏現象。但是，當接縫止水結構未達到設計效果時，即出現止水失效時，就會影響墊層及過渡層的滲透穩定性，進而危及壩體安全[1]。所以，面板壩止水失效時墊層、過渡料等分區及覆蓋層的滲透穩定性，壩體滲流場分布及大壩安全性等問題都值得重點研究[2]。鑒于此，本文針對止水失效時面板壩的集中滲流問題進行研究。為設計者提供可靠的依據，設計出具有合理分區的面板堆石壩，從而確保工程的安全性，并進一步論證壩體材料分區的合理性[3]。

目前關于面板堆石壩各主要分區的滲流特性有一定的研究。墊層及過渡層依據級配及壓實度控制，雷諾數通常較小，可以通過達西定律對這兩個分區的滲流規律進行描述，而堆石區情況比較復雜，國內外有關滲流機理的研究相對較少[4]。對于堆石區的滲流機理主要有以下兩種觀點：一是當流體通過墊層及過渡層后，到達堆石區的滲流水頭就會很小，進而導致該區流速較小，所以即使該區的顆粒粒徑較大，雷諾數也會較小，從而其滲透規律滿足達西定律；二是如果堆石區的細粒含量較少時，該區的滲流規律可能會偏離達西定律[5]。

1 研究方法

1.1 面板堆石壩止水失效時計算模型

面板堆石壩主要有以下特點：面板的滲透系數比較小，一般在1×10-9m/s量級，基本可以認定為不透水，面板堆石壩止水失效后沿同一個方向的裂縫寬度基本相同。縫隙處的單寬流量如式(1)所示：

(1)

式中：q為裂隙內單寬流量，m2/s；g為重力加速度，m/s2;b為裂寬，m；J為裂隙內水力梯度的大小；v為水的動力黏度。

1.2 計算模型

本文估算了接縫失效單元的滲透系數，并考慮到失效縫內充填了大量顆粒，所以結合工程的精度，考慮工程的實際和合理性，指定失效縫單元的滲透系數為1.0×10-3m/s[6]。改變不同位置和不同寬度的失效單元滲透系數，模擬止水失效不同工況。模型底部及兩側采用不透水邊界，上、下游為定水頭邊界，其中上游邊界為3992.00 m，下游邊界為3897.92 m。

為了能夠全面合理的反應面板堆石壩失效縫下的集中滲流特點，本文選取10 mm、20 mm、30 mm、40 mm及50 mm五個級別寬度的垂直失效縫，縫長均取5 m，從壩頂至壩基選5個垂直縫失效位置，周邊縫按照通長失效計算。

局部數值模型的坐標選取以及模型的計算范圍選擇為：河流的橫河向為X軸，指向左岸為正，零點為模型正中心，河床中心沿橫河向選取標準剖面的四塊面板寬度(共計48 m)；順河向為Z軸，指向下游為正，零點為壩軸線處，沿順河向由趾板處向上游延伸200 m，由下游壩坡坡腳處向下游延伸200 m；垂向為Y軸，垂直向上為正，零點為絕對高程對應零點位置，垂向由帷幕底部(3780.00 m 高程)向下延伸150 m。具體坐標范圍為：X向坐標范圍為-24～24 m，Y向坐標范圍為3630～3997 m，Z向坐標范圍為-376.831～396 m。本次計算中網格的劃分采用六面體等參數單元，橫縫處的尺寸較小，采取局部加密的模式，模型共劃分單元數190 788個，節點數204 120個。垂直縫編號及位置如表1所示，有限元模型材料計算參數如表2所示。

2 水頭等值線及浸潤面計算結果

不同縫寬下的不同失效位置處的浸潤面高程值如表3所示。

表3是10～50 mm縫寬單縫失效和同時失效的浸潤面高程表。從表中可以看出：當單縫失效時，其浸潤面位置基本相似，壩基等勢面分布情況也基本相似。結合表中數據得出以下結論：

(1)單縫失效時，縫長一定，縫的相對位置及縫寬對壩體浸潤面的位置不敏感。表中如10 mm 和50 mm 縫寬的僅1號縫及僅2號縫失效時，帷幕灌漿下游側浸潤面分別為 3916.31 m、3916.36 m 和3918.02 m、3918.02 m，大壩出逸點浸潤面分別為3898.21 m、3898.21 m 和 3898.39 m、3898.39 m，當縫的位置開始變化時，尤其是相對位置和縫寬變化時，滲流出口處滲透的浸潤面變化較小，在帷幕下游側，滲透的浸潤面變化值均在1 m內，這是因為縫寬大小及其相對位置在一定范圍值內對大壩滲流量影響不大，且通過裂縫處的滲流量均比較小。當失效縫縫長一定時，集中滲流影響失效縫周圍墊層水頭值，水頭等值線向下游移動，但是隨著裂縫位置的變化，裂縫處水頭等勢線基本沒有變化。而隨著縫寬的加大，裂縫處水頭等值線范圍有較小的增加，即裂縫對滲流的影響范圍有較小的擴大。

表1 垂直縫編號及位置

表2 材料計算參數

(2)當五縫同時失效情況，其浸潤面的位置及壩基等勢面分布情況也基本與單縫失效時相似。結合表中對比10 mm 縫寬僅3號縫失效及50 mm縫寬五縫同時失效情況，五縫同時失效時帷幕灌漿下游側浸潤面及滲流出口處浸潤面位置高程值比單縫失效時分別高4.92 m和0.10 m，所以隨著縫寬的增加，滲流量增加，面板后的浸潤面位置有一定的升高，但幅度不大。所以這兩工況的浸潤面均比單縫失效工況結果有明顯的升高。

表3 不同縫寬下不同失效位置處的浸潤面高程

綜上分析，單縫失效后失效工況下壩體浸潤面均比較低，主要由于墊層后過渡層及堆石體的滲透系數均較大，使得滲流水易于向下游排出，所以當縫長一定時浸潤面位置較低。當失效效果為單縫失效時，裂縫位置相對浸潤面位置、壩體及壩基水頭等勢面基本都沒有影響，對于裂縫寬度次之，其對浸潤面位置、壩體及壩基水頭等勢面影響較小，而裂縫長度及墊層滲透系數影響較大，隨著縫長及墊層滲透系數的增大，經過裂縫處的水流就會增大，導致經過裂縫處的滲流量會大大增加，最終會導致在浸潤面的位置、壩體及壩基水頭等勢面中都會有較大幅度的變化。

3 結 論

本文采用有限元計算方法，重點分析研究了面板出現開裂及止水失效情況下發生的集中滲流問題。主要研究了垂直縫和周邊縫兩種縫失效情況下失效縫區的滲流場，對垂直縫主要研究了失效縫的相對位置、縫寬及縫長變化等工況；對周邊縫主要研究了不同縫寬時裂縫通長失效等工況，主要得到的結論：單縫失效工況下，縫寬及其他因素不變，失效縫中心位置的降低，失效縫處的滲流量增加，墊層、過渡層中心及滲流出口處的滲透坡降也隨之增加，但是防滲帷幕處最大水力坡降反而產生微小的降低，所以隨著失效縫位置的降低，反而對壩體的滲透穩定性越不利。另外，失效縫的相對位置對滲流場并不敏感。