防滲墻對某水庫地下滲流場影響研究

劉菊蓮

（惠州市白盆珠水庫工程管理局，廣東 惠東 516341）

水工建筑設(shè)計時必須考慮防滲效果[1，2]，而防滲墻乃是重要防滲結(jié)構(gòu)，研究防滲墻結(jié)構(gòu)設(shè)計對滲流場影響特征具有重要意義[3，4]，探討防滲墻結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)與滲流場活動關(guān)系乃是評價防滲墻最優(yōu)設(shè)計的重要手段。楊東玲[5]、張桂花等[6]、李鶴等[7]認為水工模型試驗精度及結(jié)果可靠性較高，故利用原型復制比尺參數(shù)建立室內(nèi)水工模型，研究在不同設(shè)計方案下溢洪道、消能池、泄洪建筑等滲流演化特征，進而評價工程設(shè)計參數(shù)的利弊性。當然，也有一些學者認為防滲墻結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅僅關(guān)乎滲流場，與靜、動力學特征也密切相關(guān)，故利用Abaqus、ANSYS 及COM?SOL 等數(shù)值仿真平臺，研究了防滲墻結(jié)構(gòu)對水工建筑的應力、位移影響，為工程設(shè)計提供依據(jù)[8，9]。滲流場的分析不僅僅可通過模型試驗，亦可采用Flu?ent滲流計算平臺，高效研究不同設(shè)計參數(shù)對模型滲流場結(jié)果的影響[10，11]，評價設(shè)計參數(shù)最優(yōu)性，例如在溢洪道、沉砂池等水工建筑中應用面較廣。本文根據(jù)該水庫防滲墻結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，利用ANSYS-Fluent探討分析了防滲墻深度與厚度對地下水滲流場影響，進而為評價最優(yōu)設(shè)計方案提供佐證。

1 工程模型

1.1 工程概況

某水庫位于東江干流上游，是承擔著防洪、供水任務，同時具備發(fā)電及生態(tài)環(huán)境補償功能的水利樞紐工程，總集水面積超過800 km2。水庫庫區(qū)是廣東省嚴重的水土流失地區(qū)之一，根據(jù)普查，水土流失面積7 810 hm2，每年土壤流失入庫約17.45 萬t。該水庫作為東江地區(qū)重要的水利樞紐，對防洪安全、水資源調(diào)度等發(fā)揮著重要作用，而這些作用的發(fā)揮均與水庫各水工設(shè)施密不可分，水工設(shè)施包括防洪大壩、泄洪閘及溢洪道等。該水庫作為東江地區(qū)重要的水利樞紐，其泄流面積、汛限水位、應急供水及最小流量特征面如圖1所示。

圖1 水庫泄流特征水位

其中，防洪大壩壩頂高度為23.5 m、寬度為3.2 m，采用混凝土重力式大壩設(shè)計形式，在壩身設(shè)置有防滲面板，其分布范圍涉及壩趾至正常蓄水位水面線處，表面鋪設(shè)有土工防滲系統(tǒng)，可有效降低壩身內(nèi)滲流活動，傳感器監(jiān)測表明壩體內(nèi)最大滲透坡降僅為0.23，滲流活動較平靜。泄洪閘作為水庫重要泄流及水資源調(diào)度樞紐，最大泄流量設(shè)計為1 350 m3/s，閘室底板厚度為1.2 m，屬多孔式泄流設(shè)計，單孔凈寬為2.6 m，其閘門采用平面鋼閘門結(jié)構(gòu)，配備有相應的壓桿支撐體系，有限元仿真表明閘門結(jié)構(gòu)最大拉應力不超過1.4 MPa且拉應力主要集中在背水側(cè)，而動力作用下計算表明閘門位移、加速度響應值均較低，滿足安全設(shè)計要求。溢洪道與下游消能池構(gòu)成了消能防沖主要水利設(shè)施，堰頂高程為21.5 m，溢流面具有多階梯式截面，過渡段階梯共有12個，消能池內(nèi)坎高為0.8~1.2 m，F(xiàn)luent計算表明消能池水流局部會出現(xiàn)渦流、回旋等現(xiàn)象，紊流活動較強。為確保泄洪閘溢流活動穩(wěn)定性，階梯式溢流面上安裝了防滲模板，另考慮在上游處建設(shè)了防滲墻，并且該防滲墻也在主壩體上間隔10 m 設(shè)置，以確保水庫整體滲流穩(wěn)定性，特別是避免由于滲流活動導致的工程場地水土流失。從水庫整體防滲角度考慮，增設(shè)防滲墻，不僅僅可以提升主壩抗?jié)B性能，可使其防洪標準再升一個等級，而且水工泄流建筑在防滲墻作用下可較好地改變非穩(wěn)定滲流活動，降低水力勢能耗散率。

1.2 工程仿真

為確保所增設(shè)的防滲墻對水庫水工建筑防滲性的正面作用，而不會出現(xiàn)水庫地下水滲流場活動導致水庫水工設(shè)施滲流活動平靜而地下滲流場較活躍的局面，本文重點探討防滲墻設(shè)計參數(shù)在確保防滲性前提下對地下滲流場影響最小的方案。前述資料及滲流監(jiān)測分析表明，為滿足結(jié)構(gòu)防滲，防滲墻深度應不低于壩基的1/3 且不應超過溢流面過渡階梯段長度的2/3，根據(jù)水庫主壩設(shè)計可知，防滲墻深度在滿足防滲要求前提下應為5~16 m，故本文設(shè)定防滲墻深度對比研究方案分別為5.5、7.5、9.5、11.5、13.5、15.5 m 6 種方案。從防滲墻厚度設(shè)計角度考慮，其厚度參數(shù)不應超過壩身寬度的1/2 且最少為20 cm，故本文設(shè)定防滲墻厚度研究方案為0.5、1、1.5、2、2.5、3 m 6種方案。

采用ANSYS-Fluent 仿真平臺建立防滲墻與地下水滲流場有限元模型[12，13]，如圖2所示。

圖2 地下水滲流場有限元模型

該模型包括溢洪道上、下游側(cè)，而模型主要研究對象為地下結(jié)構(gòu)部分，故不考慮地上建筑對防滲性能影響，防滲墻插入基巖深度按照研究方案設(shè)定。該模型經(jīng)劃分網(wǎng)格后共獲得微單元體223 682個、節(jié)點數(shù)186 264個，滲流活動介質(zhì)層變形方程按照水庫地層實際黏質(zhì)砂土彈塑性本構(gòu)模型設(shè)定，防滲墻滲透系數(shù)為10-9m/s。該模型頂、底均設(shè)定為無自由度邊界條件，側(cè)壁為法向自由度邊界，各方案中研究工況均保持上游水位17.8 m。模型X、Y、Z正向分別為順水流下游、溢流面左岸及結(jié)構(gòu)垂直向上方向。

2 防滲墻深度對地下滲流場影響

2.1 水頭差特征

水頭差乃是反映地下水滲流場活躍性的重要指標，本文以防滲墻插入基巖層有限元模型為對象，分析主壩上、下游側(cè)及防滲墻內(nèi)水頭差與防滲墻深度關(guān)系，如圖3所示。

圖3 各特征部位水頭差與防滲墻深度關(guān)系

由圖3 可知，計算模型中水頭差最大位于主壩上游側(cè)，各方案中水頭差分布為3.47~7.65 m，而下游側(cè)、防滲墻身水頭差相比前者分別降低了42.4%~47.3%、21.5%~34.3%，即防滲墻水頭差最低，表明滲流活動經(jīng)防滲墻抑制后，該部位及其下游側(cè)滲流區(qū)域均為平靜狀態(tài)，故水頭差較小。當防滲墻深度增大后，即防滲墻進入基巖層愈深，各特征部位水頭差均有降低，以防滲墻身水頭差為例，其在深度5.5 m時為5.57 m，而在深度為9.5、13.5、15.5 m時較前者分別下降了42.8%、51%、51.1%，從降幅可看出為遞減態(tài)勢，特別是在防滲墻深度超過11.5 m 后其降幅基本趨于0，在深度5.5~11.5 m防滲墻部位水頭差在各方案間平均降幅為12.6%，而整體方案中最大降幅也位于該區(qū)間內(nèi)，當深度超過11.5 m 后其平均降幅僅為0.34%，由此可知，防滲墻深度并不是持續(xù)增長才有利于結(jié)構(gòu)防滲，而是具有最佳特征值。同理，在上、下游側(cè)水頭差受防滲墻深度影響均具有降幅減小拐點值，即深度11.5 m 時上、下游水頭差比深度5.5~11.5 m時平均降幅分別為22.3%、24.6%，而在深度11.5~15.5 m 時最大降幅僅分別為2.1%、2%，平均降幅僅分別為1.6%、1.5%。綜上水頭差變化可知，應控制防滲墻深度位于合理有效區(qū)間內(nèi)即可，并不需要過大的深度，深度過大對水頭差的抑制效果并不會一直增強，從本文對比結(jié)果來看，防滲墻深度11.5 m時較為有利。

2.2 流速特征

為分析防滲墻深度設(shè)計最優(yōu)參數(shù)，本文給出防滲墻基巖層計算模型中防滲墻底、主壩底最大流速變化特征，如圖4所示。

圖4 各特征部位流速與防滲墻深度關(guān)系

由圖4 可知，流速最大位于主壩底，其流速分布為1.62~2.9 cm/s，而防滲墻底流速較前者降幅為16%~69.5%，此與防滲墻具有較低滲透系數(shù)有關(guān)，有助于阻流。當防滲墻深度增大后，主壩底流速在深度超過11.5 m后具有顯著增幅特征，深度13.5、15.5 m時流速值相比深度11.5 m 時增大了26.5%、77.2%，平均深度每增大2 m流速可升高51.9%；而深度低于11.5 m時，其流速基本較為穩(wěn)定，維持在1.62 cm/s左右，表明防滲墻深度過高后，由于基巖層局部擾動影響，導致滲流面出現(xiàn)紊流現(xiàn)象，進而產(chǎn)生流速增高的現(xiàn)象[14，15]。防滲墻底流速受防滲墻深度影響具有差異性，隨防滲墻深度增大為先減后增變化，以深度11.5 m 為最低達0.5 cm/s，而在深度5.5~11.5 m 時平均下降38.6%，當深度超過11.5 m后平均增幅117.3%。綜上，筆者認為，當防滲墻深度為11.5 m 時，流速特征值更為安全可靠，且墻底滲流活躍性會受到較強抑制。

3 防滲墻厚度對地下滲流場影響

3.1 水頭差特征

依據(jù)防滲墻不同厚度參數(shù)下滲流特征參數(shù)計算，獲得主壩上、下游側(cè)及防滲墻內(nèi)水頭差與防滲墻厚度關(guān)系，如圖5所示。

圖5 各特征部位水頭差與防滲墻厚度關(guān)系

由圖5 可知，各特征部位水頭差最高仍為主壩上游側(cè)，其水頭差分布為4.14~9.28 m，由于受靜水壓力與動水壓力沖擊影響，主壩上游側(cè)滲流場水頭壓力較大，故具有較大的水頭差。當防滲墻厚度增大后，各特征部位上水頭差均為遞減態(tài)勢，特別是防滲墻內(nèi)與下游側(cè)水頭差，當防滲墻厚度為0.5 m時防滲墻內(nèi)水頭差為6.2 m，而厚度為1.5、2.5、3 m 時相應的水頭差較前者分別下降了49.2%、52.3%、52.3%，不可忽視其降幅整體上在厚度超過1.5 m 后基本處于“停滯”狀態(tài)，當防滲墻厚度為0.5~1.5 m 時防滲墻內(nèi)水頭差平均可下降20.5%，但厚度超過1.5 m后相應的水頭差最大降幅僅為1.8%。相比之下，下游側(cè)水頭差在防滲墻厚度超過1.5 m 后降幅基本趨于0，厚度為2.5、3 m 時水頭差較厚度2 m 時差幅分別為0.16%、0.24%。從防滲“經(jīng)濟化”角度考慮，厚度參數(shù)設(shè)計超過1.5 m對抗?jié)B效果無顯著提升，而厚度參數(shù)為1.5 m時設(shè)計性價比更高[16]。

3.2 流速特征

同理，以防滲墻底、主壩底最大流速為分析對象，探討流速特征值與防滲墻厚度參數(shù)設(shè)計值變化關(guān)系，如圖6所示。

由圖6 可知，主壩底流速水平較大，部分設(shè)計方案中甚至超過2.5 cm/s，不利于控流及穩(wěn)流，對壩身防滲產(chǎn)生負面影響。當防滲墻厚度增大后，主壩底流速隨之為先減后增變化，變化節(jié)點位于厚度1.5 m，此時各方案中流速最低為1.6 cm/s；當厚度參數(shù)為0.5~1.5 m 時主壩底流速平均降低25.1%，而厚度為1.5~3 m時主壩底流速受厚度參數(shù)影響敏感性增強，在各方案間平均增幅可達23.8%。分析表明，防滲墻厚度在一定區(qū)間內(nèi)時，較低的滲透系數(shù)阻斷了滲流活動，控流效果顯著；但過大的防滲墻厚度會導致滲流場出現(xiàn)繞墻逸流效應，導致局部滲流活動加劇，從而產(chǎn)生流速水平增高的現(xiàn)象。與主壩底流速變化不同的是，防滲墻底流速隨防滲墻厚度為遞減變化，其變化態(tài)勢與其水頭差影響變化特征有所類似，均在厚度超過1.5 m 后處于降幅減小至0 的演變過程，防滲墻底流速在厚度0.5~1.5 m 時平均下降了37.7%，總降幅占到6個設(shè)計方案中的98%，而厚度超過1.5 m后最大降幅僅為2.9%，在該厚度參數(shù)節(jié)點后流速基本穩(wěn)定在0.7 cm/s。綜合水頭差與流速特征可知，防滲墻厚度在1.5 m時滲流場表現(xiàn)較優(yōu)，抗?jié)B及設(shè)計效果均最佳。

圖6 各特征部位流速與防滲墻厚度關(guān)系

4 結(jié)論

（1）主壩上游側(cè)水頭差最大，各防滲墻深度設(shè)計方案中下游側(cè)、防滲墻身水頭差相比前者分別降低了42.4%~47.3%、21.5%~34.3%；深度愈大，則水頭差愈低，但降幅減小，以深度超過11.5 m后為降幅顯著減少特征，上、下游側(cè)水頭差在深度5.5~11.5 m 時平均降幅分別為22.3%、24.6%，而在深度11.5~15.5 m時最大降幅僅為2.1%、2%。

（2）主壩底流速最大；防滲墻深度增大，主壩底流速在深度超過11.5 m后具有顯著增幅特征，深度低于11.5 m時穩(wěn)定在1.62 cm/s；防滲墻底流速隨深度增大為先減后增變化，深度11.5 m時最低，達0.5 cm/s。

（3）隨著防滲墻厚度增大，各特征部位水頭差均為遞減變化，在厚度超過1.5 m 后降幅趨于0；主壩底流速隨厚度增大為先減后增變化，在厚度0.5~1.5 m時平均降幅為25.1%，在厚度1.5~3 m 時平均增幅為23.8%；防滲墻底流速隨厚度增大遞減，但在厚度超過1.5 m 后降幅減小至0，在厚度超過1.5 m 后流速穩(wěn)定在0.7 cm/s。

（4）綜合地下滲流場特征參數(shù)影響特征，認為防滲墻深度、厚度分別為11.5、1.5 m 時方案防滲效果最優(yōu)。