土工膜修復(fù)漿砌石重力壩滲漏的效果分析

王力波，岑威鈞，鄭長海

(河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

漿砌石重力壩是用膠結(jié)材料砌筑石料建成的重力壩，主要依靠自身重量保持壩體穩(wěn)定和滿足強度要求[1-2]。這種壩型能就地取材，方量比土石壩少，導(dǎo)流和度汛問題較易解決，比常規(guī)混凝土重力壩節(jié)省大量水泥，但耗費勞力較多。漿砌石重力壩適用范圍比較廣泛，只要地質(zhì)條件符合，壩址區(qū)石料豐富，均可考慮建造漿砌石重力壩[3-4]。中國不少砌石壩建于解放前后，當(dāng)初筑壩質(zhì)量較差，壩體石料間的砌縫膠結(jié)材料填筑不夠密實，后續(xù)運行過程中出現(xiàn)了滲漏現(xiàn)象[5-8]，后續(xù)滲漏修復(fù)中往往在上游壩面增設(shè)混凝土面板或土工膜等防滲措施[7-8]。

土工膜是一類新型柔性防滲材料，具有良好的防滲性、耐熱性、耐寒性和化學(xué)穩(wěn)定性，有較大斷裂伸長率，適應(yīng)變形能力強，且造價低，已廣泛應(yīng)用于堤防、庫盤、蓄水池、圍堰等防滲工程，同時也應(yīng)用于土石壩等(較)高水頭防滲工程中[9-10]。根據(jù)國際大壩委員會2010年的統(tǒng)計資料，國際上已有160余座大型堆石壩采用土工膜防滲，并取得了良好的工程效果。目前中國對土工膜防滲土石壩滲流的研究成果很多[11-15]，但對土工膜防滲漿砌石重力壩的滲流研究相對較少。

本文以某漿砌石重力壩進行土工膜滲漏修復(fù)為例，采用GeoStudio軟件對大壩進行滲流場有限元計算，得到大壩水頭分布、滲流量、滲透坡降、防滲土工膜后浸潤線高度等結(jié)果，對土工膜滲漏修復(fù)效果進行評價。

1 工程概況與計算模型

某漿砌石重力壩，壩高46 m，壩頂寬7.25 m，非溢流段壩長146.5 m，非溢流段剖面見圖1。壩基上部為強風(fēng)化巖石，深度約為30 m，中部為弱風(fēng)化巖石，深度約為32 m，底部為相對不透水層。在壩踵處布置主帷幕孔，在主孔下游布置副帷幕孔，采用間隙灌漿法對壩基進行灌漿，主帷幕孔深度達30 m，副帷幕孔深度達20 m。壩基有斷層，斷層寬約2 m，與壩基面交角約為45°，斷層膠結(jié)程度較差，帷幕灌漿通過斷層。在壩基面設(shè)C15混凝土墊層。由于大壩建造時間較早，壩體和壩基均出現(xiàn)了嚴重的滲漏。滲漏修復(fù)設(shè)計方案論證時，提出在上游壩面設(shè)置0.8 mm厚的HDPE土工膜作為防滲面板，土工膜表面外掛預(yù)制混凝土板，用于保護土工膜免受庫水和日照等環(huán)境影響，防止水庫漂浮物撞擊土工膜及延緩?fù)凉つだ匣煌瑫r在壩基廊道內(nèi)，按1.5 m間距，前后兩排進行帷幕灌漿，提升壩基帷幕的防滲功能。土工膜與帷幕之間通過壩基混凝土墊層相接，形成自上而下封閉的防滲體系。上述滲漏修復(fù)方案需要通過滲流場計算來論證其合理性。

圖1 非溢流段剖面

本文以非溢流壩段為研究對象，壩基深度取90 m，約為2倍的壩高，順河流向在壩踵、壩趾上下游各取115 m。大壩有限元網(wǎng)格見圖2，其中結(jié)點數(shù)為6 686，單元數(shù)為6 568。由于土工膜厚度很薄，有限元建模時將其等效成20 cm厚的多孔介質(zhì)防滲體[16]，進行網(wǎng)格剖分。滲流有限元計算參數(shù)見表1，計算工況見表2。

圖2 大壩有限元網(wǎng)格

表1 滲流有限元計算參數(shù) 單位：cm/s

表2 計算工況 單位：m

2 滲流場特性分析

2.1 等水頭線分布及膜后浸潤線高度

圖3、4給出了帷幕失效(工況1)和正常運行(工況2)條件下大壩等水頭線分布。設(shè)計工況和校核工況下的計算結(jié)果與圖4(工況2)相似，僅數(shù)值有所差別，等水頭線分布圖不再一一給出。由圖3可見，由于壩面設(shè)置防滲土工膜，削減了絕大部分水頭差，壩內(nèi)浸潤線位置低，位于壩基面以上一定高度。壩基帷幕失效時(工況1)，壩基等水頭線分布均勻，在壩基地層分界處及斷層處等水頭線有明顯轉(zhuǎn)折，說明不同地層及斷層對等水頭線分布有一定影響。由圖4可見，正常工況下，由于壩基帷幕、壩基混凝土墊層及壩面土工膜形成了完整的防滲系統(tǒng)，大壩等水頭線主要集中于壩面土工膜和壩基帷幕處，壩體浸潤線高程低，僅高于建基面約1.36 m，表明采用壩面設(shè)置土工膜進行滲漏修復(fù)后大壩的防滲性能很好。

圖3 帷幕失效工況等水頭線分布

圖4 正常運行工況等水頭線分布

計算得到帷幕失效工況、正常運行工況、設(shè)計工況和校核工況下壩體膜后浸潤線高度分布為1.52、1.36、5.95 m(比下游水位高0.86 m)和6.52 m(比下游水位高0.84 m)。由于壩基帷幕灌漿防滲作用顯著，正常運行工況下的膜后浸潤線比帷幕失效(工況1)時的膜后浸潤線高。另外，由于下游有水，設(shè)計工況和校核工況的膜后浸潤線比正常運行工況的膜后浸潤線高。隨著上游庫水位的增加，膜后浸潤線高度與下游水位差值也逐漸增加。

2.2 滲透坡降

根據(jù)計算結(jié)果，帷幕失效(工況1)下壩體內(nèi)的最大滲透坡降為1.60，出現(xiàn)在下游坡出滲點附近。正常運行(工況2)下壩體內(nèi)的最大滲透坡降為0.92，出現(xiàn)在下游坡出滲點附近，帷幕灌漿的最大滲透坡降為20.46，出現(xiàn)在帷幕灌漿的壩基高程附近，未超過一般允許值30。由于壩基帷幕灌漿的防滲作用，正常運行工況下壩體內(nèi)的最大滲透坡降比帷幕失效工況下壩體內(nèi)的最大滲透坡降小。設(shè)計工況和校核工況下壩體最大滲透坡降分別為0.84、0.86，其逸出點位置都出現(xiàn)在下游坡出滲點附近，由于上游水位發(fā)生變化(設(shè)計工況和校核工況上游水位分別比正常運行工況上游水位高1.21、2.56 m)，下游水位抬高后，壩體內(nèi)最大滲透坡降略有減少，并且壩體內(nèi)最大滲透坡降隨上下游水位差的增加而增大。

2.3 滲流量

各工況下，計算得各區(qū)域流量結(jié)果以及總流量見表3。由表可知，上游壩面由于設(shè)置了土工膜防滲面板，壩面入滲流量小于10-9m2/s，防滲效果非常理想，幾乎可視為不透水。修復(fù)后的壩基主帷幕灌漿深度為30 m，副帷幕灌漿深度為20 m，都位于強風(fēng)化層。正常運行(工況2)與帷幕失效(工況1)相比，壩基強風(fēng)化層滲流量減少54%，這是由于位于強風(fēng)化層被帷幕灌漿貫穿，顯著減小了該地層的壩基滲流量；但同時由于帷幕灌漿端部繞滲作用，使得弱風(fēng)化層滲流量相比工況1增加172%。由此可見，帷幕灌漿對壩基滲流量影響較大，防滲作用顯著。帷幕失效工況和正常運行工況下大壩單寬總滲流量分布為82.35×10-6、49.41×10-6m2/s，后者相比前者滲流量減小了40%，表明壩基帷幕灌漿防滲作用顯著。正常運行工況、設(shè)計工況和校核工況時上下游水頭差分別為42.50、38.62、39.38 m，相應(yīng)的單寬流量分別為49.41×10-6、44.90×10-6、45.78×10-6m2/s，可見隨著上下游水頭差的增大，大壩總滲流量及各區(qū)域滲流量均逐漸增加。

表3 各區(qū)域流量計算結(jié)果 單位：10-6 m2/s

圖5、6為各工況下的上、下游地表結(jié)點入滲和出滲流量分布。由圖5、6可知，各工況下，上下游地表結(jié)點流量分布規(guī)律相同，壩趾(踵)處流量很小，距離壩趾(踵)1 m處(壩底混凝土墊層與壩基臨界處)流量最大，從壩趾(踵)處到距離壩趾(踵)1 m處流量驟增，距離壩趾(踵)大于1 m時，隨距離的增加，結(jié)點流量逐漸減小，且距離越遠，同一結(jié)點的各工況上下游地表滲流量相差越小，由此表明壩基滲流主要集中里壩踵和壩趾一定范圍內(nèi)，遠處壩基的入滲和出滲已經(jīng)很小，可忽略。隨著上下游水頭差的增大，各工況下大壩上下游地表結(jié)點滲流量也逐漸增加，其中正常運行工況下的上下游地表結(jié)點滲流量相比帷幕失效工況下相應(yīng)結(jié)點的滲流量明顯減小，說明帷幕灌漿的防滲作用顯著。將各結(jié)點流量求和，可得上游壩基入滲流量與下游壩基出滲流量，由表3可見，大壩總的入滲流量與出滲流量保持了平衡。

圖5 上游地表結(jié)點入滲流量分布

圖6 下游地表結(jié)點出滲流量分布

2.4 滲流流速矢量

帷幕失效工況和正常運行工況的滲流流速矢量分別見圖7、8。由圖7、8可知，斷層處流速方向與斷層走向一致，上游入滲處和下游逸出處流速相對較大，正常運行時壩基滲流速度相對帷幕失效時較低，其中帷幕失效時的最大流速出現(xiàn)在上游入滲點附近，最大值約為5.32×10-6m/s，正常運行時的最大流速出現(xiàn)在下游壩趾處，流速約為2.78×10-6m/s。可見壩基帷幕灌漿改變了壩基滲流的流速場，影響了壩基的滲流性態(tài)。

圖7 帷幕失效工況壩基流速矢量

圖8 正常運行工況壩基流速矢量

3 結(jié)語

a)壩面土工膜水頭削減顯著，控制了壩體滲流場的水頭分布和浸潤線高度。正常運行下膜后壩體浸潤線僅高于建基面約1.36 m，表明壩面設(shè)置土工膜適用于漿砌石重力壩滲漏修復(fù)。

b)隨著上下游水頭差的增大，大壩滲流場各區(qū)滲流量和總滲流量逐漸增加，同時上下游地表結(jié)點入滲和出滲流量也逐漸增加，但出入流量保持平衡。

c)隨著上下游庫水位差值的增加，大壩滲透坡降逐漸增加，但均小于允許值；下游水位抬高后，膜后浸潤線增高。