非穩定滲流條件下含類泥狀夾層面板堆石壩三維滲流分析

張友輝，柳金泉，李 陽

（1.河南省固始縣白果沖水庫建設管理局，河南 固始 465236；2.中電建路橋集團有限公司，北京 100160；3.固始縣水利局河道管理處，河南 固始 465299）

1 工程概況

某水電站大壩工程位于國外某地，工程規模為大（2）型。水庫區河谷寬闊，岸坡總體上緩下陡；地層巖性較單一，主要分布有砂巖和泥巖；工程區旱季與雨季分明，降雨量大。上電站正常蓄水位為263m，死水位238m，面板堆石壩最大壩高125m，壩型采用混凝土面板堆石壩，右岸布置溢洪道、導流洞及泄洪放空洞。混凝土面板堆石壩壩頂高程266m，趾板河床建基面最低高程為141m，壩軸線長438.82m，壩頂寬度8.7m，上下游壩坡均為1∶1.4，上游壩坡采用鋼筋混凝土面板防滲，面板厚度從0.3m漸變到0.65m；下游水電站壩面采用干砌石護坡。壩體分區圖見圖1。混凝土面板堆石壩在填筑碾壓過程中，分層碾壓層面出現5～10cm 厚的粉細砂層，碾壓堆石料互層厚度為80cm；雨季碾壓施工時表面形成類泥狀物，導致堆石區產生80cm/10cm（堆石／粉細砂）的互層，由此在壩體內部產生軟弱帶。該層的存在可能影響壩體中滲流場分布，使壩體防滲及穩定性無法得到保證[1-3]。

圖1 壩體分區圖

為此，本文依托該混凝土面板壩工程，針對施工填筑期間產生的類泥狀夾層，通過建立三維滲流有限元模型，開展不同工況的數值模擬，選取各工況下典型狀態，在非穩定滲流條件下，研究該大壩滲流場變化情況，并依據分析結果對大壩整體穩定性作出評價與判斷，可為同類工程提供借鑒與參考。

2 非穩定滲流場分析計算模型

2.1 有限元模型構建

本文三維滲流分析坐標原點選取在整個模型的距壩軸線0±000.000 下游1605m、左岸1105m 處，底板高程為30m。綜合考慮天然地下水觀測水文地質資料，距壩軸線上游740m 處設為上游邊界，下游1065m 處設為下游邊界，距壩軸線0±000.000 左岸1105m 處設為左岸邊界，右岸415m 處設為右岸邊界，模型底面為防滲帷幕最低點下延50m，三維模型尺寸大致為1520m×1805m×350m（寬×長×高），共劃分單元516943 個，節點105520 個。該工程區別于常規工程的特點在于層間泥質夾層的影響，泥化夾層在模型構建過程中，按薄層單元進行考慮，因其與堆石料互層頻率較高。為減少工作量，同時兼顧到安全性，建立模型時泥質夾層的厚度統一取為10cm。模型見圖2。

圖2 模型示意圖

2.2 材料計算參數選取

根據勘察資料，壩址區基巖為強風化體，弱風化體，微風化體與新鮮巖體四部分。各材料的滲透系數見表1。

表1 材料滲透系數表

2.3 邊界條件設置及工況模擬

大壩壩頂高程266m，正常蓄水位為263m，死水位為238m。下游水頭邊界采用泄放校核洪水位168.8m；上游邊界由不同工況進行調整；左右岸邊界由地質剖面圖及鉆孔水位確定左右岸邊界處浸潤線位置為低于地面高程40m；模型底面為不透水邊界。

依據研究目的與現場實際分析需求，開展以下兩種工況進行研究，見表2。

表2 不同工況參數表

3 壩體三維計算與分析

3.1 蓄水工況下滲流分析

為便于對蓄水過程進行展示，選取初始高程160m 穩態，蓄水至高程200m 瞬態，蓄水至高程263m 瞬態，蓄水至高程263m 后穩定一年，四個狀態進行分析描述，圖3 給出了整個研究區域蓄水期的水頭分布圖。

圖3 蓄水工況下各狀態總水頭分布三維圖

由圖3 可見Y=0 平面中水頭分布基本與山體起伏一致，在庫水位抬升過程中，引水隧洞中的水壓力同步上升，對原有山體的滲流場產生一定的影響；隨著蓄水趨于穩定，流場亦趨于穩定，由蓄水至263m 和263m 穩定運行一年的結果可以看出兩者差異較小。顯然，蓄水工況下，類泥狀物對大壩滲流場影響不明顯。

3.2 泄放洪工況下滲流場分析。

同樣，為便于對水位降落過程流場進行展示，選取初始263m 穩態，降落至250m 的瞬態，降落到238m 的瞬態三個狀態進行分析。圖4 為泄放洪期間的水頭分布圖。

圖4 泄放洪工況下各狀態總水頭分布三維圖

由圖4 可知，隨著庫水位下降，放空洞和引水隧洞中水壓力同步下降，兩岸山體相同位置處水頭降低，整體符合混凝土面板堆石壩滲流特征，類泥狀夾層對此工況下滲流場影響不明顯。

3.3 特定剖面滲流分析

為充分反映滲流場分布情況，截取模型中12 個剖面，進行分析，剖面位置詳見圖5。

圖5 各個剖面圖在模型中的位置分布圖

本文選取剖面X=873m 處，選定初始水位160m時及蓄水至263m 運行一年后工況，重點分析研究斷面水頭分布、孔壓分布及浸潤線分布，具體結果見圖6、圖7 和圖8。

圖6 X=873m 處水頭分布圖

圖7 X=873m 處孔壓分布圖

圖8 X=873m 處浸潤線分布圖

對比圖6、圖7、圖8 可明顯看出：隨著壩體上游蓄水區的水頭抬升，在防滲帷幕位置水頭等值線圖分布集中現象越明顯，說明防滲體的作用隨水位的升高承擔越來越多水頭降。壩體內的浸潤線整體變化不明顯，仍表現較為平緩。因為混凝土面板和壩體滲透系數差異達幾個數量級，其引起水頭降的效果極為顯著。在防滲帷幕及面板作用下，類泥質夾層對滲流場影響不明顯。

3.4 模擬結果統計與分析

3.4.1 滲流量分析

壩體壩基和壩身滲流量是堆石壩滲控設計的主要內容之一[4,5]。為此，在對該面板堆石壩滲流分析的基礎上，統計在大壩運行期各部位的滲流量，見表3。

表3 大壩運行期各部分滲流量統計表

3.4.2 水力坡降分析

根據面板堆石壩的特點可知，混凝土面板和防滲帷幕是最為主要的擋水構筑物，其他部位的水力坡降都較小[6]。通過分析，壩體壩基各部位最大水力梯度基本出現在壩0+192 斷面，大壩蓄水時與泄放洪時的最大水力坡降分布情況匯總于表4、表5 中。

表4 蓄水期有關部位最大水力坡降計算值表

表5 降落期有關部位最大水力坡降計算值表

由表4、表5 可得：面板為防滲混凝土，且該工程為大（2）型，其臨界水力坡降在200 以上，分析得出在運行期實際水力坡降最大值為186，小于規范要求，認為面板不存在滲透破壞的問題，同時其他部分材料分析獲得的水力坡降均滿足規范設計要求。

4 結論

本文依托國外某混凝土面板堆石壩工程，針對填筑期間出現的類泥狀物而產生的互層可能危及壩體防滲安全問題，考慮工程實際需求，建立有限元三維滲流分析模型，開展類泥狀物夾層對于壩體滲透的專項分析，深入研究不同工況下滲流場變化情況，據此對大壩的安全性狀作出評價。

（1）整體分析：從大壩橫斷面上的滲流壓力分布來看,計算斷面滲流符合一般面板土壩的滲流流場分布,未見有礙面板壩滲流安全的異常或畸變情況。

（2）滲漏量及滲透坡降分析：從大壩運行期各部分滲流量來看，大壩總體滲漏量不大，壩體內最大水平滲透坡降值在允許滲透坡降值范圍；在蓄水工況及泄放洪工況下，浸潤線下游漿砌石護坡中出逸，出逸滲透坡降小于壩坡允許滲透坡降。

綜合上述，按設計提供相關信息進行三維滲流分析后，該大壩在蓄水期與泄放洪期總體滲漏量不大，類泥質夾層存在對滲流場影響可忽略不計，其對大壩整體滲流穩定不構成威脅，壩體暫時沒有滲透破壞的風險。但是在施工過程中對于防滲效果及質量需加強監控，以確保防滲體系的完整及有效性