某堆石壩帷幕缺陷處理后滲流穩(wěn)定敏感性研究

曾海艷，張建海，王震洲，詹國強(qiáng)

(1.四川大學(xué) 水力學(xué)及山區(qū)河流開發(fā)與保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065；2.四川省清源工程咨詢有限公司，四川 成都 610072)

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某堆石壩帷幕缺陷處理后滲流穩(wěn)定敏感性研究

曾海艷1，張建海1，王震洲1，詹國強(qiáng)2

(1.四川大學(xué) 水力學(xué)及山區(qū)河流開發(fā)與保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065；2.四川省清源工程咨詢有限公司，四川 成都 610072)

摘要：防滲帷幕是大壩防滲措施的重要組成部分，然而防滲帷幕在灌漿過程中往往出現(xiàn)缺陷，影響大壩的防滲效果。因此對(duì)缺陷區(qū)進(jìn)行灌漿處理顯得十分重要要，然而對(duì)缺陷區(qū)灌漿處理后其效果的研究十分少見，針對(duì)某堆石壩在工程施工檢測中防滲墻與帷幕之間存在高強(qiáng)滲透區(qū)現(xiàn)象，對(duì)該部分覆蓋層進(jìn)行帷幕灌漿處理。為定量評(píng)價(jià)該覆蓋層帷幕灌漿區(qū)對(duì)大壩滲透場的影響，采用有限元方法進(jìn)行了覆蓋層帷幕灌漿區(qū)厚度以及滲透系數(shù)的敏感性分析。研究表明：隨著覆蓋層帷幕灌漿區(qū)厚度的增大，其滲透流量逐步減小，當(dāng)覆蓋層帷幕灌漿區(qū)厚度達(dá)8m時(shí)灌漿區(qū)比降小于允許比降，滿足帷幕滲透灌漿區(qū)比降要求；相同覆蓋層帷幕灌漿區(qū)厚度條件下，滲透系數(shù)增大，其承受的比降有所下降，但會(huì)使透過覆蓋層帷幕灌漿區(qū)的流量略有增大，降低比降有利于壩體滲透場穩(wěn)定，流量略增大不影響壩體穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：堆石壩；滲流；缺陷；帷幕灌漿；有限元法；敏感性分析

防滲帷幕是大壩工程建筑防滲處理的重要組成部分，幾乎所有的大壩基礎(chǔ)都要進(jìn)行不同程度的防滲處理，較常用的就是帷幕灌漿處理[1-3]。然而工程中常常出現(xiàn)灌漿后局部貫通性帷幕缺陷，影響大壩安全。為保證大壩滲透穩(wěn)定性，許多工程對(duì)防滲帷幕缺陷進(jìn)行覆蓋層帷幕再灌漿處理。壩基防滲系統(tǒng)缺陷再灌漿處理后，壩基滲流量及覆蓋層帷幕灌漿區(qū)滲透比降是灌漿效果評(píng)價(jià)的主要部分，前者定量評(píng)估了防滲效果是否達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)而后者用于評(píng)價(jià)壩基的滲透穩(wěn)定性。李維朝，梁鐸等[4]人利用SEEP/W軟件，分析了某工程帷幕滲透系數(shù)對(duì)浸潤線高度、水力比降的影響，得到了帷幕缺陷區(qū)厚度與單寬滲漏量的對(duì)數(shù)曲線關(guān)系。張慧萍，趙迪等[5]對(duì)金佛山瀝青混凝土心墻壩進(jìn)行滲流計(jì)算，發(fā)現(xiàn)壩體及壩基的滲流量對(duì)防滲帷幕滲透系數(shù)的影響比強(qiáng)風(fēng)化基巖滲透系數(shù)的變化敏感很多。但是以上研究均未分析缺陷區(qū)灌漿處理后，該區(qū)域?qū)φ麄€(gè)壩基的滲流穩(wěn)定的影響。

本文針對(duì)某堆石壩的右岸帷幕出現(xiàn)高透水片區(qū)的情況，在覆蓋層中防滲墻與帷幕之間進(jìn)行覆蓋層帷幕灌漿處理，在缺陷區(qū)形成“覆蓋層帷幕灌漿區(qū)”。由于防滲帷幕完全處于地下，覆蓋層帷幕灌漿區(qū)的滲透穩(wěn)定性及連續(xù)性難以通過實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行評(píng)估[6]。為實(shí)現(xiàn)定量評(píng)價(jià)覆蓋層帷幕灌漿區(qū)對(duì)大壩滲透場的影響，采用三維數(shù)值分析方法分析不同設(shè)計(jì)工況下滲流穩(wěn)定的敏感因素，評(píng)價(jià)了各影響因子對(duì)帷幕灌漿區(qū)整體和局部滲透穩(wěn)定性，為壩基缺陷處理措施提供參考依據(jù)。

1　工程概況

某水電站為“一庫兩級(jí)”規(guī)劃開發(fā)方案中的龍頭水庫電站，采用混合式開發(fā)方式，主要開發(fā)任務(wù)為發(fā)電，無通航、灌溉、防洪等綜合利用要求。電站裝機(jī)容量135 MW，攔河大壩為混凝土面板堆石壩。水庫正常蓄水位3 165.00 m，相應(yīng)庫容8.485×107m3，最大壩高106.0 m。

壩址地處高山峽谷區(qū)，河床主要分布第四系松散堆積物，覆蓋層最大厚度為108.82 m。壩基覆蓋層主要為礫石，最大厚度86.32 m。防滲體系由混凝土面板、趾板、混凝土防滲墻以及防滲帷幕構(gòu)成。防滲墻厚度1.20 m，一般深度為50.00 m，最大深度73.00 m。兩岸壩肩及河床底部透水基巖采用帷幕灌漿防滲，以死水位為界，死水位以上布置為單排帷幕，以下為雙排帷幕，帷幕穿過表面卸荷巖體伸入到相對(duì)弱透水層以下5.00 m。工程開挖及壩體施工過程中，右岸帷幕存在透水性較強(qiáng)的片區(qū)，另外，右岸防滲墻存在未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高的情況，因而在防滲墻與帷幕之間進(jìn)行灌漿處理，形成覆蓋層帷幕灌漿區(qū)，具體斷面如圖1所示。

圖1某堆石壩防滲墻覆蓋層帷幕灌漿區(qū)(單位:m)

2　滲流場有限元分析

2.1計(jì)算軟件及原理

針對(duì)該壩體防滲體系的滲流穩(wěn)定分析，本文計(jì)算軟件采用四川大學(xué)巖土所多年擴(kuò)充完善的三維非線性有限元分析軟件NASGEWIN計(jì)算。該程序具備較完善的可視化前、后處理界面和操作界面，先后成功地應(yīng)用于二灘、錦屏一級(jí)、沙牌、紫坪鋪、官地、溪洛渡、小灣、百色、瀑布溝、黃金坪、猴子巖等二十多個(gè)重大工程項(xiàng)目研究[7]，具有很強(qiáng)的分析功能。

將計(jì)算區(qū)水流系統(tǒng)概化為三維穩(wěn)定地下水系統(tǒng)，滲透規(guī)律可用質(zhì)量守恒及達(dá)西(Darcy)定律描述，穩(wěn)定滲流分析可歸結(jié)為能數(shù)值求解的有限元方程[8-9]。滲流場求解時(shí)，對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散。宋建慶等[10]采用子單元法，使得計(jì)算結(jié)果逼近真實(shí)滲流區(qū)域。胡冉，速寶玉等利用軟件進(jìn)行滲流自由面的迭代，求得每個(gè)單元節(jié)點(diǎn)的水頭值后算得相鄰節(jié)點(diǎn)間的滲流比降[11-15]。

本模型計(jì)算中，對(duì)土體采用鄧肯-張E-B模型。對(duì)于基巖，采用Druker-Prager屈服準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)關(guān)系?；炷练罎B墻與周圍土體之間、基巖與高塑性粘土之間為防滲墻與覆蓋層的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)滑移部位，因此，計(jì)算中在混凝土防滲墻與灌漿區(qū)、灌漿區(qū)與帷幕之間設(shè)置無厚度Goodman接觸面單元進(jìn)行模擬。

2.2計(jì)算模型

本模型沿面板壩軸線上下游各取250.0 m，即順河向x方向截取500.0 m；橫河向由樁號(hào)0-261.0 m取至樁號(hào)0+892.0 m，橫河向z方向總長度1 153 m，共切取縱剖面55個(gè)；鉛直向由高程2 900.0 m取至地表自由面。模型有限元網(wǎng)格劃分時(shí)，充分考慮了材料分區(qū)、覆蓋層帷幕灌漿區(qū)和右岸的高透水帷幕缺陷區(qū)。圖2、圖3為面板堆石壩和帷幕灌漿區(qū)三維網(wǎng)格圖，三維有限元模型網(wǎng)格采用4面體8節(jié)點(diǎn)單元共計(jì)剖分35 585個(gè)節(jié)點(diǎn)和36 912個(gè)單元。

圖2堆石壩三維網(wǎng)格圖

圖3帷幕灌漿區(qū)三維網(wǎng)格圖

2.3計(jì)算邊界與計(jì)算工況

在滲流穩(wěn)定期，滲流邊界問題分水頭邊界、出滲邊界、不透水邊界三類。本次計(jì)算為正常蓄水工況下，上游邊界的出滲邊界取到正常蓄水水頭φ=3 165 m，施加范圍為上游壩面以及河谷浸水節(jié)點(diǎn)。下游出滲邊界為水頭φ=3 083 m，施加范圍為下游河谷浸水節(jié)點(diǎn)。

為研究帷幕灌漿區(qū)厚度和帷幕灌漿區(qū)滲透系數(shù)對(duì)三維滲流計(jì)算的影響，開展了5種工況的計(jì)算，各計(jì)算工況參數(shù)選取如表1所示。工況S1、工況S2、工況S3帷幕灌漿區(qū)透水率均取為3 Lu，而帷幕灌漿區(qū)厚度則分別取4 m，6 m和8 m，從而定量分析帷幕厚度對(duì)滲流場的影響。工況S4、工況S5則保持帷幕灌漿區(qū)厚度為8 m，帷幕灌漿區(qū)透水率分別取為10 Lu，15 Lu，以此定量分析相同帷幕灌漿區(qū)厚度條件下不同滲透系數(shù)對(duì)三維滲流場的影響。

表1　斜卡面板堆石壩計(jì)算工況參數(shù)

3　計(jì)算結(jié)果分析

3.1帷幕灌漿區(qū)厚度對(duì)滲流場的影響

覆蓋層帷幕灌漿區(qū)滲流比降作為研究大壩滲流場的重要指標(biāo)，為研究帷幕灌漿區(qū)厚度對(duì)滲透場滲透比降的影響，以工況S1、工況S2及工況S3進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，檢驗(yàn)覆蓋層帷幕灌漿區(qū)的比降隨灌漿厚度的變化而變化的規(guī)律。

圖4工況S1剖面0+219.0 m滲壓等值線圖

圖4、圖5為工況S1典型剖面0+219.0 m滲壓等值線圖和水頭等值線圖，該工況下面板、防滲墻和帷幕部位水頭變化劇烈，壩體處滲壓呈水平直線分布，符合工程實(shí)際規(guī)律。工況S2和S3的滲壓等值線圖和水頭等值線圖與工況S1類似，此處不再贅述。

圖5工況S1剖面0+219.0 m水頭等值線圖

為對(duì)比研究三種工況下的流量變化，圖6為各工況流量的變化規(guī)律圖。計(jì)算得到工況S1總滲流量為0.517 m3/s；工況S1防滲墻覆蓋層帷幕灌漿區(qū)增加2 m后總滲流量為0.512 m3/s，相比工況S1減小0.8%；工況S3將防滲墻覆蓋層帷幕灌漿區(qū)厚度再次增加后，其總滲流量為0.510 m3/s，相比工況S1的0.517 m3/s減小1.2%。相比于工況S2的0.512 m3/s減小0.4%。由此可知隨著覆蓋層帷幕灌漿區(qū)厚度的增大，壩體滲透總流量逐步減小。對(duì)于覆蓋層帷幕灌漿區(qū)，灌漿區(qū)厚度與其滲透流量也基本符合該規(guī)律。覆蓋層帷幕灌漿區(qū)厚度取為4 m后，帷幕灌漿區(qū)滲透流量為0.007 m3/s；加厚為6 m后，其滲透流量減小為0.005 m3/s；加厚為8 m后，帷幕灌漿區(qū)滲透流量減小為0.004 m3/s。

圖6各工況流量變化規(guī)律

圖7為覆蓋層帷幕灌漿區(qū)不同厚度時(shí)，覆蓋層帷幕灌漿區(qū)比降，其中Y軸為高程，Z軸為橫河向計(jì)算范圍?？梢?，工況S1覆蓋層帷幕灌漿區(qū)比降約在13～19.2之間；工況S2滲透比降降至10.0～13.0之間；工況S3其滲透比降降至7.6～9.8之間。所以增大覆蓋層帷幕灌漿區(qū)厚度，可以有效降低比降。由于覆蓋層帷幕灌漿區(qū)允許比降為10.0，可知防滲墻覆蓋層帷幕灌漿區(qū)厚度應(yīng)達(dá)到8 m才能達(dá)到有效防滲效果。各工況灌漿區(qū)最大比降值集中在狹長的上半?yún)^(qū)域，可以考慮適當(dāng)加大上部分的灌漿厚度。

圖7三種工況帷幕灌漿區(qū)比降等值線圖

3.2灌漿區(qū)滲透系數(shù)對(duì)滲流場的影響

為研究覆蓋層帷幕灌漿區(qū)比降與滲透系數(shù)的關(guān)系，工況S1、工況S2、工況S3設(shè)計(jì)了8.0 m覆蓋層帷幕灌漿區(qū)厚度，而在該部位分別取滲透系數(shù)為3 Lu、10 Lu和15 Lu。通過數(shù)值計(jì)算開展?jié)B透系數(shù)敏感性分析。圖8給出了不同滲透系數(shù)條件下計(jì)算的帷幕灌漿區(qū)滲流量變化規(guī)律。

圖8覆蓋層帷幕灌漿區(qū)8m時(shí)流量變化規(guī)律

當(dāng)覆蓋層帷幕灌漿區(qū)厚度為8 m時(shí)，3種工況覆蓋層帷幕灌漿區(qū)滲流量分別為0.0039 m3/s、0.0113 m3/s和0.0161 m3/s，而總滲流量分別為0.510 m3/s、0.525 m3/s、0.534 m3/s?？梢?，相同帷幕灌漿厚度條件下，隨著覆蓋層帷幕灌漿區(qū)滲透系數(shù)增大，通過覆蓋層帷幕灌漿區(qū)的滲流量略有增大，從而導(dǎo)致防滲系統(tǒng)總滲流量少量增加，因而并不危及大壩安全。

圖9為工況S4、工況S5的覆蓋層帷幕灌漿區(qū)比降等值線圖?？梢姼采w層帷幕灌漿區(qū)厚度為8 m時(shí)，工況S4覆蓋層帷幕灌漿區(qū)比降約在6.6～9.5之間；工況S5覆蓋層帷幕灌漿區(qū)比降約在6.0～9.2之間。而由圖7可知工況S3覆蓋層帷幕灌漿區(qū)比降約在7.6～9.8之間。所以在相同覆蓋層帷幕灌漿區(qū)厚度條件下，隨著覆蓋層帷幕灌漿區(qū)滲透系數(shù)增大，其承受的比降有所下降，從而降低壩基滲透破壞率，有利于滲流場穩(wěn)定。

圖9覆蓋層帷幕灌漿區(qū)比降等值線圖

4　結(jié)　論

通過對(duì)某堆石壩帷幕缺陷進(jìn)行灌漿處理，并完成對(duì)該帷幕灌漿區(qū)的三維滲流場分析，可知帷幕灌漿區(qū)的存在、灌漿區(qū)厚度及滲透系數(shù)的選取極大地影響了大壩的滲透穩(wěn)定性。分析該有限元計(jì)算結(jié)果，得到以下結(jié)論：

(1)隨著覆蓋層帷幕灌漿區(qū)厚度的增大，壩體滲透總流量逐步減小。對(duì)于覆蓋層帷幕灌漿區(qū)，灌漿區(qū)厚度與其滲透流量也基本符合該規(guī)律。

(2)在相同覆蓋層帷幕灌漿區(qū)厚度條件下，隨著覆蓋層帷幕灌漿區(qū)滲透系數(shù)增大，其承受的比降有所下降，降低了壩基滲透破壞率，有利于滲流場穩(wěn)定。

(3)所研究堆石壩覆蓋層帷幕灌漿區(qū)厚度達(dá)到8 m，滲透系數(shù)達(dá)到15 Lu時(shí)，帷幕灌漿區(qū)各部位比降均小于允許比降10，不存在滲透失穩(wěn)問題；增大帷幕灌漿區(qū)的厚度達(dá)8 m以上以及適當(dāng)增大灌漿區(qū)滲透系數(shù)，可以防止壩基滲漏量過大及滲透破壞，有效提高防滲效果，保證大壩滲流穩(wěn)定。

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TheSeepageSensitivityAnalysisofARockfillDamAfterGroutingTreatmentonCurtainDefect

ZENG Hai-yan1,ZHANG Jian-hai1,WANG Zhen-zhou1,ZHAN Guo-qiang2

(1.StateKeyLaboratoryofHydraulicsandMountainRiverEngineering,SichuanUniversity,Chengdu,Sichuan610065,China;2.SichuanQingyuanEngineeringConsultingCo.,Ltd.,Chengdu,Sichuan610072,China)

Abstract：Adopting anti-seepage curtain is an important dam anti-seepage measure,however,defects often occur during the process of grouting,which has a bad effect on dam seepage control.So the grouting treatment seems very important for the defect area,whereas the research on the effectiveness of curtain defect grouting is very rare.It was found that in a rockfill dam,a high permeable area existed between the diaphragm wall and overburden curtain during the quality detection.Regarding to this problem,curtain grouting treatment was adopted.To evaluate the influence of the overburden curtain grouting compartment on dam seepage field,a 3D finite element method was used to analyse seepage flow change according to different thickness of the grouting compartment and different curtain seepage coefficients.Results showed that with the increase of grouting thickness,the seepage flow quantity was reduced gradually.The gradient ratio was less than allowable value when the thickness reached 8 m,which met the requirements for overburden curtain grouting area gradient ratio.Under the same thickness,the ratio was decreased with the increase of the seepage coefficients,while the flow rate through the overburden curtain grouting area was increased slightly.According to the analysis of this situation it is drawn that the decrease of gradient ratio is beneficial for the stability of the dam's seepage field,a slight increase on the flow do not influence the dam's stability.

Keywords：rock-fill dam;seepage;defect;curtain grouting;finite element method;sensitivity analysis

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.023

中圖分類號(hào)：TV641.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672—1144(2014)06—0118—05

作者簡介：曾海艷(1989—)，女，湖南常德人，碩士研究生，研究方向?yàn)榇髩渭盎A(chǔ)工程數(shù)值分析。

收稿日期：2014-07-16修稿日期：2014-08-21