大壩防滲墻參數敏感性分析

張永武

(甘肅省金昌市永昌縣西河水利管理處，甘肅 金昌 737200)

塑性混凝土防滲墻是土石壩體中較為常見的一種防滲結構，由于其良好的防滲效果應用越來越廣泛，為此，許多研究人員對此進行了一系列研究。

余楓璞[1]以巖前水庫除險加固工程為例，研究了塑性混凝土防滲墻在水利工程中的關鍵施工工藝。馮蕊、何蘊龍[2]考慮到了地震的影響，通過數值模擬手段研究了地震作用下深厚覆蓋層高壩壩基的防滲性能。許建堂[3]通過數值模擬手段，分析了不同因素對堆石壩地基防滲墻應力應變的影響情況。杜雪兒[4]結合彈性波映像及高密度面波探測技術，提出了一種堤防防滲墻完整性快速檢測方法，并通過相似模型試驗驗證了該方法的有效性。鄒德高[5]結合增量迭代法和有限元-比例邊界有限元耦合方法，對高瀝青心墻壩防滲墻受力狀態進行了精細化分析，并探討了土體局部大應變防滲墻應力估算機制。劉達[6]采用數值計算分析、室內試驗及現場檢測相結合的方法對大孔徑螺旋鉆鉆孔高噴防滲墻的受力特性和施工方法進行了研究，并對防滲墻成墻效果進行了評價。

隨著計算機行業的發展，有限元數值模擬逐漸應用到工程領域的計算中，展現出了良好的可靠性，成為重要的研究手段之一。現如今，雖然對防滲墻的數值模擬研究眾多，但仍以二維模型為主，與實際情況存在一定差異，且對參數敏感性分析不足。在本文中，依托某土石圍堰工程案例，通過三維有限元數值軟件對壩體抗滲性能和防滲墻的主要參數進行了分析。本文的研究成果可為相似工程提供一定的借鑒、指導意義。

1 工程概況

本文依托某大壩工程為例。根據該工程的特點，擬采用混凝土防滲墻+鋪設土工膜的方式進行防滲。最大壩高49.5m，壩頂長度430.6m，壩頂寬度為10m，壩底寬度為230m。根據監測資料，近半年最大流量為4550m3/s，洪峰流量約為45000m3/s，蓄水期大壩水位48.5m，下游水位5.3m。

地質條件方面，大壩地基主要為泥質粉砂巖和含泥細砂巖，弱風化巖層厚度在12～20m區間，具有較強的透水性，微風化巖層厚度在20～30m區間，透水性極弱。圖1為該壩體斷面圖。

圖1 壩體斷面示意圖

2 數值模型

通過有限元軟件對大壩進行了數值模擬，以分析防滲墻在大壩中的防滲效果。

模型上下游計算范圍均取約4倍壩體高度200m，底部邊界為基巖面以下75m，約1.5倍壩體高度。邊界條件方面，根據工程實際情況和以往模擬經驗，模型底部設為固定約束，四周為法向約束，頂部及坡面設為自由約束，上游水頭值設為52.5m，下游水頭值設為9.5m。依據壩體材料和修筑方式，將壩體劃分為三部分，即水上部分、水下部分和基巖。壩體材料遵循各向同性假設，根據滲透變形試驗，對部分材料的滲透系數進行取值，見表1。

表1 材料滲透系數 單位：m/s

實際工程中，土工膜厚度為1mm，為方便網格劃分，對土工膜進行了等效處理，依據等效變換法，將土工膜等效成了厚度1m、滲透系數為1.0×10-9m/s的防滲單元。

在劃分網格時，對防滲墻和壩體坡腳等位置進行了局部網格加密，共劃分出38156個10節點的有限元網格單元，如圖2所示。

圖2 壩體有限元計算模型網格圖

在本次數值模擬中，防滲墻考慮的主要參數為防滲墻厚度和入巖深度。

防滲墻厚度方面，其他條件一定時，防滲墻抵抗滲透破壞的能力由厚度決定，厚度越高，運行狀況越好，但同時建設成本也越高。防滲墻厚度估算公式如下：

(1)

式中，d—防滲墻厚度，m；K—抗滲安全系數，取5；H—防滲墻上最大作用水頭，本文為43.2m；[J]max—防滲墻破壞時最大滲透坡降，本文取300。

根據相關工程經驗，平原地區的防滲墻厚度通常取0.6～1.3m，主要由施工條件確定。按梯度法，本文選取了0.6、0.8、1.0、1.2m四種防滲墻厚度進行參數分析。

考慮到本項目的巖層特性，需將防滲墻延伸至基巖以達到滲流控制效果。根據上文所述，微風化層基巖滲透系數為1×10-8m/s，因此以該層基巖作為不透水層。以2m為步長，對防滲墻0～12m入巖深度進行參數分析。

3 結果分析與討論

3.1 穩定滲流分析

表2展示了有無防滲墻工況下在蓄水期和運行期的孔隙水壓力對比情況。從表2中可以看出，蓄水期階段孔隙水壓力最小值為-762.79kPa，最大值為812.13kPa。運行期階段，孔隙水壓力最小值為-774.92kPa，最大值為724.78kPa。有無防滲墻兩種工況相比，主要差異體現在運行期階段，相較于無防滲墻工況，后者孔隙水壓力數值更大，表明設置防滲墻可以發揮出一定的防滲效果。

表2 孔隙水壓力計算結果 單位：kPa

為研究防滲墻各位置處的滲透情況，對防滲墻周邊布置有18個監測點，具體監測點布置情況如圖3所示。

圖3 各監測點計算結果

圖3(a)為各監測點總水頭分布情況，從圖3(a)中可以看出，在防滲墻上游蓄水期總水頭明顯大于運行期水位，而在下游即監測點10～18，蓄水期與運行期總水頭較為接近，無明顯的差異。

圖3(b)為各監測點孔隙水壓力分布情況。從圖3(b)中可以看出，孔隙水壓力沿監測點分布曲線呈現“V”型分布，即先減后增的變化趨勢，最大孔隙水壓力出現在上游2#監測點位置處，最小孔隙水壓力出現在下游10#監測點位置處。兩階段相比，上游蓄水期孔隙水壓力明顯大于運行期，但分布規律基本一致。最大孔隙水壓力為423kPa，最小孔隙水壓力為-47.2kPa。

圖3(c)為各監測點滲透坡降分布情況。從圖3(c)中可以看出，滲透坡降曲線呈“M”狀分布，沿防滲墻中軸線對稱分布。3#～7#監測點與12#～16#監測點滲透坡降較大，峰值為34.6。兩階段對比，蓄水期滲透坡降明顯大于運行期，但分布規律較為相近。

3.2 參數敏感性分析

圖4展示了防滲墻厚度為1m工況下不同入巖深度對壩體浸潤線的影響情況。從圖4中可以看出，隨著防滲墻入巖厚度的增加，壩體下游浸潤線呈現明顯下降趨勢，即壩體浸潤線高度與防滲墻入巖深度呈現負相關關系，表明增加墻體入巖深度能明顯提高防滲墻抗滲性能。但隨著墻體入巖深度的增加，壩體浸潤線下降程度逐漸降低，即效果逐漸下降。因此，應考慮到實際施工情況，合理選擇防滲墻入巖深度。

圖4 防滲墻厚度為1m時不同入巖深度對壩體浸潤線影響

圖5展示了防滲墻入巖深度為2m時不同墻體厚度對壩體浸潤線影響情況。從圖5中可以看出，相較于無防滲墻，設置防滲墻后能顯著降低下游壩體浸潤線，體現了防滲墻良好的防滲性能，也說明了在流量大的區域設置防滲墻的必要性。增加防滲墻厚度，亦能降低下游壩體浸潤線，浸潤線高度與防滲墻厚度呈現負相關關系，且隨著墻體厚度的增加，浸潤線高度呈現線性下降的變化規律。

圖5 防滲墻入巖深度為2m時不同厚度對壩體浸潤線影響

圖6展示了不同工況下壩體滲流各參數變化情況。圖6(a)為不同防滲墻厚度工況下壩基單寬滲流量隨防滲墻入巖深度的變化曲線。從圖中可以看出，隨著防滲墻入巖深度的增加，壩基單寬滲流量呈現線性下降趨勢。同一入巖深度條件下，各工況相比，防滲墻厚度越高，壩基單寬滲流量亦越低，兩者呈現負相關關系。

圖6 防滲墻厚度與入巖深度對抗滲性能的影響

圖6(b)為不同防滲墻厚度工況下防滲墻后作用水頭隨入巖深度的變化曲線。從圖6(b)中可以看出，防滲墻后作用水頭受防滲墻入巖深度影響大于墻厚造成的影響，隨著入巖深度的增加，墻后作用水頭逐漸下降，在防滲墻入巖深度0～2m區間下降幅度最為顯著，且墻體厚度越小，下降幅度越明顯。

設置防滲墻后，防滲墻底部易存在滲透坡降集中現象的出現。圖6(c)為不同工況下防滲墻底部滲透坡降隨墻體入巖深度變化曲線。從圖中可以看出，隨著防滲墻入巖深度的增加，防滲墻底部滲透坡降呈現先減后增的變化趨勢，未呈現隨著入巖深度增加滲透坡降增加或減小的一般性規律?？紤]到滲透坡降允許值為25，故防滲墻入巖深度設置在2～10m區間可滿足要求。各工況相比，墻體厚度越大，防滲墻底部滲透坡降越低，兩者呈現負相關關系。

圖6(d)為不同工況下壩腳溢出點滲透坡降隨墻體入巖深度變化曲線。從圖6(d)中可以看出，壩腳溢出點滲透坡降與墻體厚度和入巖深度均呈現負相關關系。曲線拐點出現在墻體入巖深度為1m位置處，防滲墻入巖深度為1m工況較入巖深度為0m工況壩腳溢出點滲透坡降下降了46.81%。該位置處滲透坡降允許值為0.12，結合圖6(b)和圖6(c)亦可以看出，防滲墻厚度對滲透坡降影響較為有限。再結合施工成本綜合考慮，設置防滲墻厚度為0.8m入巖深度為2m即可滿足設計要求，為較佳參數[7]。

4 結語

為分析大壩防滲墻防滲性能及主要影響因素，本文通過三維有限元軟件建立了大壩防滲墻數值仿真模型，得出結論如下：

(1)孔隙水壓力沿監測點分布曲線呈現“V”型分布，上游蓄水期孔隙水壓力明顯大于運行期，但分布規律基本一致。

(2)相較于無防滲墻，設置防滲墻后能顯著降低下游壩體浸潤線，浸潤線高度與防滲墻厚度和入巖深度呈現負相關關系。與防滲墻厚度相比，防滲墻入巖深度因素對墻后作用水頭影響程度更顯著，。

(3)壩體滲透坡降和壩腳溢出點滲透坡降受防滲墻入巖深度影響較大，滿足設計要求下，綜合經濟效益，設置防滲墻厚度0.8m、入巖深度2m效果較佳。