丹江口土石壩砂卵石壩殼靜壓注漿滲控效果研究Ⅱ：三維滲流計算

張 偉，呂國梁，王金龍，肖 利

二維滲流計算對各滲透性分區(qū)計算參數(shù)進行了敏感性計算分析，給出了不利參數(shù)組合，并對心墻存在的局部尺寸不足以及心墻水平裂縫條件下的滲流狀態(tài)以及靜壓注漿體滲控效果進行了分析，認為靜壓注漿體滲透系數(shù)在不大于10－4cm／s時，能夠改善大壩滲流狀態(tài)并使之滿足滲透穩(wěn)定性要求?？紤]到左岸土石壩連接壩段的實際情況以及局部靜壓注漿，采用三維穩(wěn)定滲流計算方法［1］對不同條件下土石壩滲流狀態(tài)以及靜壓注漿體滲控效果進行了進一步的計算分析，并對心墻與基巖以及心墻與混凝土壩體接觸部位的滲透穩(wěn)定性進行了評價。

1 計算模型參數(shù)與計算條件

采用三維穩(wěn)定滲流有限元計算方法進行計算［1］，重點分析心墻局部尺寸不足部位、心墻與混凝土接觸部位以及心墻與基巖接觸部位等滲透穩(wěn)定性，評價現(xiàn)有土石壩連接壩段的滲透穩(wěn)定性，對擬采用的靜壓注漿體的滲控效果進行分析評價。

1．1 計算模型

（1）計算模型范圍。以左岸土石壩尖山為分界點，選擇0＋900為起始計算斷面，終點為混凝土壩與土石壩的結合斷面（樁號1＋192．3），其中1＋153～1＋192．3段心墻內(nèi)無塑性混凝土防滲墻。在計算模型范圍內(nèi)，按照間距40 m給出了相應的設計斷面［2］，作為本次計算斷面，計算斷面布置見圖1。模型的底部邊界取至高程48 m處，并作為隔水邊界；從壩軸線向上下游各延伸200 m作為模型的計算域，并將此模型兩端邊界作為隔水邊界考慮；上游壩坡以及庫底作為定水頭邊界，取上游水位174．35 m；壩體內(nèi)部為浸潤線，作為流量為0的邊界，且水頭等于其位置高程；下游壩坡作為出逸邊界，下游擋墻后最低地面高程作為下游水位邊界，取105．35 m。

圖1 計算斷面平面布置Fig．1 The layout of the computation cross－sections

（2）模型概化。各個斷面滲透性分區(qū)相同，以1＋180斷面為例，說明計算域內(nèi)的滲透性分區(qū)（見圖2）。與二維滲流計算分區(qū)相同，滲透性分區(qū)為：老壩上游壩殼料、新壩上游壩殼料、反濾料、心墻料、老壩下游壩殼料、靜壓注漿區(qū)、基巖。壩下游排水棱體作為充分排水體，不作為計算域的一個分區(qū)，將其上游側作為出逸邊界。計算中不考慮塑性混凝土防滲墻的作用。

圖2 滲透性分區(qū)（1＋180）Fig．2 The partition of the permeability at section 1＋180

1．2 計算參數(shù)

按照二維滲流計算結果，各滲透性分區(qū)計算參數(shù)取值見表1。

表1 各滲透性分區(qū)計算參數(shù)Table 1 The calculated parameters of the partition of permeability

1．3 計算條件

模型上、下游邊界均為定水頭邊界，上游邊界對應上游水位174．35 m，下游邊界對應下游水位105．35 m，模型左、右側邊以及底邊為隔水邊界。

2 計算結果及分析

2．1 心墻無缺陷條件下靜壓注漿體滲控效果分析

2．1．1 心墻無缺陷條件下的滲流計算結果及分析

方案1是考慮心墻無缺陷的情況，重點分析大壩現(xiàn)狀條件下的滲流狀態(tài)，計算結果見表2。

表2 心墻無缺陷條件下滲流計算結果（方案1）Table 2 The results of the seepage calculation under the condition of the core wall without defects（scheme 1）

從表2可以看出：下游壩殼料出逸點高程為116．7～145．9 m，均低于相應的排水棱體頂部高程，即出逸點都在排水棱體內(nèi)，說明現(xiàn)有排水棱體設計高程滿足壩體排水要求；心墻底部滲透比降變化范圍為0．98～2．36，均小于原設計要求的2．5～5，說明大壩加高后仍能滿足設計要求；心墻中部及狹窄處滲透比降為1．14～5．84，其中 1＋140，1＋153，1＋180斷面心墻中滲透比降接近或超過5，介于原設計規(guī)定的5～10之間，安全裕度不足，說明局部心墻尺寸不足導致其承擔了過高的滲透比降；下游砂卵石壩殼料承擔的滲透比降為0．08～2．16，已經(jīng)超過或介于表1所列的臨界比降1．25～3．5，顯然砂卵石內(nèi)部會產(chǎn)生顆粒的調(diào)整。有利的一面是所有出逸點均位于排水棱體中，因此，做好排水棱體前的反濾，可以有效地保證砂卵石壩殼料的滲透穩(wěn)定性。土石壩與混凝土壩接觸部位滲透比降最大為1．14，小于原設計要求的2．5～5。表2還給出了每2個斷面之間壩段的滲漏量，其總的滲漏量為541．1 m3／d。

2．1．2 心墻無缺陷條件下靜壓注漿體滲控效果分析

方案2是在方案1的基礎上實施了靜壓注漿措施。靜壓注漿起始樁號為1＋100，結束樁號為1＋192．3，即與混凝土壩段連接起來，靜壓注漿體布置在心墻上游側，高程158 m以下，寬度7～10 m不等。計算結果見表3。

表3 心墻無缺陷和靜壓注漿條件下滲流計算結果（方案2）Table 3 The results of the seepage calculation under the condition of core wall without defects and static pressure grouting（scheme 2）

從表3可以得到：下游壩殼料出逸點高程為116．0～145．8 m，均低于相應的排水棱體頂部高程，對比方案1的結果，出逸點高程降低最大幅度為0．7 m，表明靜壓注漿具有一定效果；心墻底部滲透比降為0．89～1．99，小于方案1的計算結果，說明靜壓注漿措施的實施降低了心墻底部承擔的滲透比降；心墻中部滲透比降為1．00～4．86，均小于丹江口原設計規(guī)定的5～10，說明靜壓注漿對局部心墻尺寸不足具有較好的彌補作用，有助于改善心墻滲透比降局部偏大的現(xiàn)象；下游壩殼料承擔的滲透比降為0．08～2．09，也超過了表 1所列的臨界比降1．25～3．50，說明大壩加高后，盡管采用了靜壓注漿，仍然需要做好排水棱體前的反濾，來保證砂卵石壩殼料的滲透穩(wěn)定性；土石壩心墻與混凝土壩接觸部位最大滲透比降為1．00，與方案1相比稍有降低；方案2總的滲漏量為512．3 m3／d，與方案1相比略有降低。

2．2 心墻缺陷條件下靜壓注漿體滲控效果分析

2．2．1 心墻缺陷條件下的滲流計算結果及分析

方案3是在方案1的基礎上，在1＋180斷面附近考慮一條橫向垂直裂縫，其等效滲透系數(shù)與上游壩殼料一樣，垂直裂縫產(chǎn)生在老壩心墻內(nèi)，底部與基巖相接，上部達到157 m高程。心墻缺陷條件下的三維滲流計算結果見表4。

表4 心墻缺陷條件下滲流計算結果（方案3）Table 4 The results of the seepage calculation under the condition of the core wall without defects（scheme 3）

從表4可以得到：下游壩殼料出逸點高程為118．7～145．8 m，與方案 1相比，盡管有所上升，但仍然低于相應的排水棱體頂部高程，壩下游排水棱體較好的排水作用使得下游壩殼料出逸點抬高幅度有限；心墻底部滲透比降為0．79～1．47，均小于丹江口原設計規(guī)定的2．5～5，也小于方案1的計算結果，其原因是心墻裂縫使得心墻后水位升高，心墻前后水頭差減?。恍膲χ胁繚B透比降為0．78～4．59，均小于丹江口原設計規(guī)定的5～10，也小于方案1各計算斷面相應滲透比降，變化規(guī)律與心墻底部滲透比降一樣；下游壩殼料承擔的滲透比降為0．14～2．88，與方案1相比，壩殼料承擔的滲透比降大幅度增加，尤其是1＋180周圍斷面，可見，心墻產(chǎn)生裂縫后，減小了心墻的防滲作用，對下游壩殼料的滲透穩(wěn)定性帶來了不利影響?？紤]到下游壩殼料出逸點仍然低于下游壩坡坡腳排水棱體頂高程，因此，通過在排水棱體和下游擋墻前設置合理的反濾層，仍然可以保證下游壩殼料的滲透穩(wěn)定性。土石壩心墻與混凝土壩接觸部位中部滲透比降為0．78，底部滲透比降0．79，均滿足規(guī)范要求；表4還給出方案3總的滲漏量為1 017．3 m3／d，約為方案1的2倍。

2．2．2 心墻缺陷條件下靜壓注漿體滲控效果分析

方案4是在方案3的基礎上，考慮在心墻上游側一定范圍實施靜壓注漿，注漿的范圍及注漿區(qū)參數(shù)同方案2，計算結果見表5，部分斷面等勢線見圖3、圖4。

表5 心墻缺陷和靜壓注漿條件下三維滲流計算結果（方案4）Table 5 The results of the seepage calculation under the condition of the core wall with defects and static pressure grouting（scheme 4）

圖3 1＋100斷面水位等勢線分布（單位：m）Fig．3 The water level equipotential lines at the section 1＋100

圖4 1＋180斷面水位等勢線分布（單位：m）Fig．4 The water level equipotential lines at the section 1＋180

從表5和圖3、圖4分析可知，下游壩殼料出逸點高程為116．8～145．8 m，與方案3相比，有所降低，但幅度有限，出逸點高程低于相應的排水棱體頂部高程；心墻底部滲透比降為1．01～1．98，均小于丹江口原設計規(guī)定的2．5～5，與方案3相比，由于靜壓注漿首先對心墻裂縫具有明顯的封堵作用，使得1＋180的臨近斷面心墻后水位顯著降低，而心墻底部承擔的滲透比降反而增加，其他壩段變化不大；心墻中部滲透比降為1．00～4．60，均小于丹江口原設計規(guī)定的5～10，其變化規(guī)律與心墻底部滲透比降一樣；下游壩殼料承擔的滲透比降為0．11～2．37，與方案3相比，壩殼料承擔的滲透比降明顯減少，尤其是1＋180斷面，滲透比降減少近40%，可見，靜壓注漿對降低下游壩殼料承擔的滲透比降具有較好的作用；土石壩心墻與混凝土壩接觸部位中部滲透比降為1．00，底部滲透比降為1．05，均滿足丹江口原設計對滲透比降的要求；方案4總的滲漏量為635．9 m3／d，與方案3相比，顯著減少。

3 結 論

（1）心墻無缺陷條件下，由于心墻尺寸變化較大，1＋180，1＋140，1＋153這3個斷面心墻承擔的滲透比降接近和介于5～10之間，與丹江口原設計要求的臨界值接近。采用靜壓注漿后，這些斷面心墻承擔的滲透比降均小于5，滿足丹江口原設計要求，靜壓注漿在某種程度上彌補了局部心墻尺寸不足的問題。

（2）心墻出現(xiàn)裂縫，造成下游壩殼料局部水位大幅升高，不利于下游壩殼料的滲透穩(wěn)定性。靜壓注漿體能夠在很大程度上抑制心墻裂縫的影響，顯著降低下游壩殼料內(nèi)局部自由面，減少裂縫滲漏量。因此，靜壓注漿的實施能夠有效改善大壩的滲流狀態(tài)。

（3）無論靜壓注漿與否，下游砂卵石壩殼料局部承擔的滲透比降均較大，很可能會引起砂卵石的滲透變形，好在砂卵石壩殼料出逸點均位于排水棱體和下游擋墻中，只要在排水棱體和下游擋墻前做好反濾層，對砂卵石起到排水保土作用，砂卵石滲流出口不破壞，就能保證下游壩殼料的滲透穩(wěn)定性。

建議在大壩加高時做好排水棱體和下游擋墻前反濾層，保證砂卵石壩殼料的滲透穩(wěn)定性。

［1］ 張家發(fā)．裂隙巖體滲流參數(shù)討論和滲流場有限元計算與分析［J］．長江科學院院報，1990（2）：56－64．

［2］ 王從兵，陳志康，王 莉，等．丹江口水利樞紐大壩加高工程初步設計報告修訂本（中冊）［R］．武漢：長江勘測規(guī)劃設計研究院，2004．