土工膜防滲堆石壩滲流場影響因素有限元模擬

黃國毅

（中達(dá)（福建）建設(shè)服務(wù)有限公司,福建 泉州 362000）

1 引言

隨著我國水利水電工程的快速發(fā)展,大量的土石壩和堆石壩被修建在具有好滲透性的覆蓋層地基之上。防滲問題成為影響大壩安全運營最重要的因素之一。溫立峰等[1]采用現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和有限元軟件模擬研究了堆石壩地基防滲墻的塑性損傷規(guī)律,結(jié)果表明,堆石壩可能在底部或靠近兩岸部位發(fā)生拉伸或剪切失效破壞。張成和牟猷[2]基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù),分析了面板堆石壩蓄水期壩基滲流特性,結(jié)果表明,采用滲壓計實測滲壓水位評價壩體安全是一種比較可靠的手段。申艷等[3]采用數(shù)值模擬研究了水庫結(jié)冰對于防滲面板的影響,結(jié)果表明,施加冰荷載前后對壩體的應(yīng)力、應(yīng)變和位移影響非常小。張西克等[4]研究了泰山水電站堆石壩的滲流特性,結(jié)果表明,三維數(shù)值模擬可以合理描述堆石壩的滲流特性。張博和李偉[5]以羊曲水電站堆石壩為例,采用有限元模擬了壩體及其壩基的三維穩(wěn)定滲流場特性。王文姣[6]基于ABAQUS數(shù)值有限元,研究了深覆蓋層地基面板堆石壩防滲墻應(yīng)力與變形,結(jié)果表明,數(shù)值模擬可有效合理地描述壩體的應(yīng)力應(yīng)變特性。邵磊[7]建立有限元模型,研究了防滲墻結(jié)構(gòu)的滲流特性,結(jié)果表明,水位變化使防滲墻產(chǎn)生順河向水平撓度,是引起壩體及防滲墻變形的主要原因。付興友等[8]分析了瀑布溝高堆石壩基礎(chǔ)防滲墻監(jiān)測數(shù)據(jù),結(jié)果表明,防滲墻工程是確保大壩安全運營最為重要的因素。本文依托某實際堆石壩,采用數(shù)值模擬研究影響該壩體滲流特性的關(guān)鍵要素,建立防滲深度和上覆層巖土體滲透系數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系。

2 工程概況數(shù)值模型

本文研究的堆石壩高56 m,頂寬8 m,壩頂高程2946 m,上游坡比和下游坡比均為1∶1.8。上游正常蓄水位為2945 m。采用1.2 mm復(fù)合土工膜進行防水。土工膜下層為0.4 m墊層。壩基表面鋪筑2 m厚度的反濾層。覆蓋層厚度為110 m,防滲墻厚度為82.5 m。

典型二維有限元模型見圖1。劃分網(wǎng)格總數(shù)和節(jié)點總數(shù)分別為3950 個和4110 個。模型邊界為：上游壩面為給定的水頭邊界,下游壩面為逸出邊界,其余邊界為不透水邊界。土工膜的滲透系數(shù)為1.0×10-9mm/s、墊層和堆石區(qū)滲透系數(shù)分別為3.0×10-2mm/s和1.0 mm/s,反濾層和防滲墻的滲透系數(shù)分別為3×10-1mm/s和1.0×10-6mm/s,覆蓋層和基巖滲透系數(shù)分別為1.0×10-2mm/s和1.0×10-4mm/s。

圖1 堆石壩有限元模型

3 結(jié)果與分析

3.1 防滲墻深度影響

為了分析防滲墻深度對壩體滲流特性的影響,本文考慮覆蓋層厚度為110 m,防滲墻深度分別為27.5 m、55 m、82.5 m、93.5 m和110 m工況下防滲墻的防滲效果差異性。其中前4種為懸掛式防滲墻,最后一種為截斷式防滲墻。圖2匯總得到不同防滲墻深度下壩體滲流量、膜后浸潤線高度和逸出坡降隨防滲墻深度變化曲線。

圖2（a）表明,當(dāng)覆蓋層厚度為2.0H（H=55 m,下文沿用該種表達(dá)方式）時,總滲流量隨防滲層深度增大而減小,當(dāng)防水墻形式由懸掛式變?yōu)榻財嗍綍r,大壩滲流量發(fā)生突變。滲流量的變化均為防滲墻下部繞滲量的減小。圖2（b）表明,膜后浸潤線高度隨防滲墻深度變化規(guī)律與圖2（a）基本一致。整體看,膜后浸潤線高度由5.4 m減小至0.32 m,逸出坡降由0.34 減小至0.02（圖2（b））。總體結(jié)果表明,防滲墻深度增加會延大滲流路徑,增強防滲性能。當(dāng)防滲墻深度大于0.9H時,滲流量、浸潤線高度和逸出坡降降低,可大大提高壩體穩(wěn)定性。

圖2 防滲墻深度對滲流場影響

3.2 覆蓋層厚度的影響

考慮防滲墻深度為1.5H,覆蓋層厚度分別以0.5H為模數(shù)遞增,從1.5H增大至6.0H時,覆蓋層厚度對大壩滲流特性影響。圖3匯總得到不同覆蓋層厚度工況下,大壩滲流量、膜后浸潤線高度及逸出坡降變化規(guī)律。圖3（a）表明,滲流量隨防滲墻深度增大而增大,由截斷式防滲墻的總流量1.7×10-5m3/（s·m）增加至3.9×10-5m3/（s·m）。此外,膜后浸潤線高度隨覆蓋層深度增加而增大（圖3（b））,具體表現(xiàn)在,當(dāng)覆蓋層深度為2H時發(fā)生急劇增大隨后趨于穩(wěn)定的趨勢。最終浸潤線高度由0.32 m增大至3.5 m。此外,逸出坡降也表現(xiàn)出相同的趨勢,由0.02增大至0.25。總體來看,覆蓋層增大對壩體的安全運營不利,但這種影響隨著覆蓋層深度增大而趨于緩和。

圖3 覆蓋層厚度對滲流場影響

3.3 覆蓋層滲透系數(shù)的影響

控制覆蓋層厚度為1.5H和2.0H,匯總得到覆蓋層滲透系數(shù)不同取值時,滲流量、膜后浸潤線高度和逸出坡降的變化規(guī)律見圖4。結(jié)果表明,滲流量逸出坡降以及浸潤線高度隨覆蓋層滲透系數(shù)增大而增大。以滲流量為例,當(dāng)覆蓋層滲透性由小增大時,大部分滲流量由防滲墻端部擾流而來。當(dāng)滲透系數(shù)由1.7×10-5m3/（s·m）增大至1.6×10-3m3/（s·m）時,對應(yīng)的流量增大幅度為81.3%～99.4%。此外,浸潤線高度和逸出坡降分別增大幅度為0.41 m～9.60 m和0.03～0.50。總體結(jié)果表明,覆蓋層滲透系數(shù)越大,對大壩的安全運營越不利。

圖4 滲透系數(shù)對滲流場影響

3.4 滲流量控制分析

圖2和圖3結(jié)果表明,防滲墻深度增大或覆蓋層深度增大時,總的滲流量發(fā)生增大,本節(jié)對滲流量控制進行討論。定義滲流量控制率：

式中：Q為懸掛式防滲墻滲流量；Qmin為無防滲墻對應(yīng)的總滲流量；Qmax為截斷式防滲墻對應(yīng)的滲流量。

選取不同防滲墻深度下,滲流量控制率和相對防滲深度關(guān)系曲線見圖5。結(jié)果表明采用懸掛式防滲墻時,如果覆蓋層滲透系數(shù)大于1×10-2mm/s時,必須要增大防滲深度才能有效控制滲流量。以滲透系數(shù)為1×10-1mm/s為例,相對防滲深度至少需要達(dá)到0.9以上,才能保證滲流量控制率大于75%。反之,當(dāng)滲透系數(shù)較小時,則比較小的防滲深度即可達(dá)到較好的滲流量控制效果。以滲透系數(shù)為1×10-3mm/s為例,相對防滲深度達(dá)到0.4即可保證滲流量控制率大于75%。

圖5 滲流量與相對防滲深度的關(guān)系

進一步提取出不同覆蓋層滲透系數(shù)下滲流量控制率達(dá)到75%以上的相對防滲深度,繪制出覆蓋層滲透系數(shù)與相對防滲深度的對數(shù)關(guān)系曲線見圖6,結(jié)果表明,兩者在對數(shù)坐標(biāo)上滿足線性關(guān)系,表達(dá)式為：

圖6 相對防滲深度與滲透系數(shù)擬合關(guān)系

式（2）表明,對于較深覆蓋層上的壩面土工膜防滲堆石壩而言,在測得覆蓋層滲透系數(shù)后,采用該擬合式可得到滲流量控制率大于75%以上的防滲墻深度。此外,通過防滲墻深度、覆蓋層厚度以及覆蓋層滲透系數(shù)進行滲透控制效果評價。

4 結(jié)論

本文基于數(shù)值模擬,研究了覆蓋層上復(fù)合土工膜防滲堆石壩的滲流特性影響因素,得到如下幾點結(jié)論：

（1）防滲墻深度和覆蓋層厚度和對應(yīng)的滲透系數(shù)對壩體的滲透性能影響較大,其中對總滲流量影響最大。一般而言,滲流量隨防滲深度增大先緩慢減小而后急劇減小；當(dāng)防滲墻相對高度大于0.9時,滲流量和浸潤線高度明顯降低,從而有利于大壩的安全運營。

（2）覆蓋層滲透性較大時,需增大防滲墻深度才能起到較好的滲流量控制效果。以滲透系數(shù)為1×10-1mm/s為例,相對防滲深度至少需要達(dá)到0.9以上,才能保證滲流量控制率大于75%。反之,當(dāng)滲透系數(shù)較小時,則比較小的防滲深度即可達(dá)到較好的滲流量控制效果。以滲透系數(shù)為1×10-3mm/s為例,相對防滲深度達(dá)到0.4即可保證滲流量控制率大于75%。

（3）覆蓋層滲透系數(shù)與相對防滲深度在對數(shù)坐標(biāo)上滿足線性關(guān)系,提出的擬合公式可對堆石壩的滲流量控制效果進行評價。