基于平衡防滲原理的土石壩防滲帷幕優(yōu)化設計

黨發(fā)寧，田紅梅，王振華，2

(1.西安理工大學巖土工程研究所，陜西 西安 710048;2.中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075)

為了確定防滲帷幕的合理深度、長度以及厚度，國內(nèi)外學者從理論、實驗以及數(shù)值分析等方面做了大量研究:尹海華［1］認為當僅從滲流量角度考慮時，豎直防滲帷幕深度是壩前水深的10～16倍時防滲效果比較理想;謝興華等［2］認為防滲帷幕的最優(yōu)深度與覆蓋層深度有關(guān)，當防滲帷幕的深度與覆蓋層的深度比值為0.6～0.8時，防滲效果最好;黃洪海［3］認為防滲帷幕的深度應按巖層的透水性以單位吸水量作為帷幕深度的依據(jù)，當壩高大于70m，帷幕深度應達到1 Lu值漏水量的范圍以下;當壩高在30～69 m時，帷幕深度在3 Lu值范圍以下;當壩高小于30m時，帷幕深度應達到5 Lu值范圍以下;王漢輝等［4］認為，帷幕深度應按壩高(水頭)的倍數(shù)確定，常用經(jīng)驗公式為帷幕深度等于壩前最大水深加上一個常數(shù)，這個常數(shù)一般取8～25m;宋玉田等［5］認為壩高與幕深的關(guān)系為幕深等于壩高與幕深系數(shù)之積，幕深系數(shù)一般取0.6～1.9，壩高與幕長的經(jīng)驗公式為幕長等于壩高與幕長系數(shù)之積，幕長系數(shù)一般取3.4～15.7;黃朝煊等［6］認為當防滲帷幕深度超過1倍的壩底寬時，隨著防滲帷幕深度的增加對揚壓力的抑制作用不明顯;鄭倫鑫等［7］得出一般情況下的帷幕厚度與灌漿材料的最優(yōu)組合，可為壩基防滲優(yōu)化設計提供參考。由以上研究成果可見，各種水工設計規(guī)范對大壩滲流量控制既無統(tǒng)一認識，工程實踐中也無統(tǒng)一標準;同時，防滲帷幕尺寸既與壩前水頭有關(guān)，又與地層的滲透系數(shù)有關(guān)，任何只考慮單一因素確定帷幕尺寸的方法都是不全面或不合理的。

垂直防滲的布置原則是“前堵后排”，大部分工程通過前堵來實現(xiàn)防滲目的，即通過填充、擠密、置換、凍結(jié)及其他物理化學作用等方法在土層中形成一個垂直的防滲墻體，使其達到阻水的目的。設計合理的防滲帷幕可以有效改善壩基的滲流狀態(tài)，滿足滲透穩(wěn)定要求，并可顯著降低滲流的浸潤面、出逸段的高度以及滲流量。對于無隔水層或相對隔水層埋深較大，帷幕深度難以達到隔水層的水利工程而言，常采用懸掛式防滲帷幕。設計不合理的懸掛式防滲帷幕可能存在未達到截滲的目的、帷幕后的滲透流量和滲透坡降仍然很大等問題［8］。因此，研究如何恰當選取懸掛式防滲帷幕深度、長度和厚度，成為防滲帷幕研究的一個新的課題［9］。

本文依據(jù)滲流控制原理［10］，在滿足滲透穩(wěn)定(i＜［icr］)和滲流量控制標準的前提下，提出了防滲帷幕采用“深度→長度→厚度”依次確定，且控制各部位的滲流速度大致相等的“平衡防滲法”，并通過工程算例驗證了這一方法的可靠性。該方法既可保證帷幕防滲效果達到最佳，又可保證投資達到最小。

1 基于平衡防滲原理的優(yōu)化設計

針對各種現(xiàn)行水工規(guī)范對防滲帷幕尺寸的確定既無統(tǒng)一認識、工程實踐中也無統(tǒng)一標準問題，本文提出防滲帷幕采用“深度→長度→厚度”依次確定的優(yōu)化設計方法，即以滲漏量和坡降為控制標準優(yōu)先確定防滲帷幕深度，再以兩岸繞滲速度等于壩基滲流速度確定帷幕長度，最后以壩基覆蓋層中最大滲流速度等于穿過帷幕的最大滲流速度確定防滲帷幕厚度的設計方法。按以上方法確定防滲帷幕的結(jié)構(gòu)尺寸，可保證工程區(qū)各部位的滲流得到平衡控制，既不會形成主滲流通道，也不會在某個部位防滲過當，本文稱之為“平衡防滲法”。

1.1 壩基中防滲帷幕深度的確定

若隔水層(相對不透水層)在壩基河床下埋深較淺，應選擇封閉式帷幕。帷幕應深入隔水層頂板下5～10m，局部地質(zhì)缺陷部位應適當加深。

若無隔水層或隔水層(相對不透水層)埋深較大，帷幕深度難以達到隔水層的，可根據(jù)工程需要，選擇采用懸掛式帷幕。確定懸掛式帷幕深度的方法有3種:①按規(guī)范規(guī)定的防滲線控制法;②滲流量控制法;③水力坡降控制法。

國內(nèi)主要水工建筑物規(guī)范規(guī)定的防滲線控制標準見表1。

表1 國內(nèi)主要水工建筑物規(guī)范規(guī)定的防滲設計標準

國內(nèi)主要水工建筑物規(guī)范規(guī)定的滲流量控制標準為:抽水蓄能電站上庫的滲流量應小于庫容的0.05%，其他水工建筑物的滲流量按多年枯水期來水量的1%來控制。

水工建筑物的水力坡降控制標準為:滲流計算的各種材料的水力坡降小于其允許水力坡降。

實際設計時，可按規(guī)范規(guī)定的防滲線控制法確定出壩基及兩岸帷幕的初始設防范圍，然后計算滲透流量和水力坡降，用滲透流量控制法和水力坡降控制法確定出河床帷幕的最終設計深度。

在滿足以上3個控制標準的前提下，帷幕深度也不是越深越好，而是存在一個臨界值。帷幕的深度超過該值時滲透水流將選擇直接穿過帷幕上部而不是從帷幕底部繞滲，就是說超過以上深度的防滲帷幕實際上是無效的。在地層材料和帷幕厚度確定的條件下帷幕的臨界深度可以用繞過帷幕的滲流速度等于穿過帷幕的滲流速度來確定。

1.2 左右岸防滲帷幕長度的確定

在確定了壩基中防滲帷幕的最終設計深度以后，第二步在初擬的左右岸防滲帷幕長度的基礎上確定防滲帷幕的最終設計長度，方法如下:在滿足壩體滲透穩(wěn)定(i＜［icr］)和滲流量控制標準的前提下，控制兩岸的最大繞滲速度v岸等于防滲帷幕上下游地層中的最大繞滲速度v河，即v岸=v河，將達西定律代入得

式中:H是大壩上下游水頭差;2L岸為左右岸的繞滲路徑長度，為防滲帷幕長度L岸的2倍;2D河為河床覆蓋層中繞過帷幕底部的滲透路徑長度，為防滲帷幕的深度D河的2倍;K岸和K河分別為兩岸巖體和壩基覆蓋層(基巖)的滲透系數(shù)。若河床為多層覆蓋層土，則河床覆蓋層的等效滲透系數(shù)［11］為

式中:D為地層厚度;Di為第i個地層的厚度;Ki為第i個地層的滲透系數(shù)，m為地層總數(shù)。若左右岸為多層水平巖層，則左右岸的滲透系數(shù)可按各材料分區(qū)獨立選取，獨立設計。若分層較多，層厚較小，各層滲透系數(shù)差別不大，獨立設計困難，可按下式計算等效滲透系數(shù)［11］:

經(jīng)換算可得防滲帷幕的長度公式為

1.3 防滲帷幕厚度的確定

第三步確定防滲帷幕的厚度。與上述確定防滲帷幕長度的原理類似，建議防滲帷幕厚度按以下公式確定:在滿足壩體滲透穩(wěn)定(i＜［icr］)和滲流量控制標準的前提下，穿過防滲帷幕的最大滲流速度v幕等于防滲帷幕上下游地層中的最大繞滲速度v河，即v幕=v河，代入達西定律得

式中:t為防滲帷幕的厚度;K幕為防滲帷幕的滲透系數(shù)。

經(jīng)換算可得防滲帷幕的厚度公式為

當防滲帷幕的長度和厚度超過以上計算值時，滲透水流優(yōu)先選擇從河床帷幕下方繞滲到達下游;當帷幕的厚度小于此值時，滲透水流優(yōu)先選擇穿越帷幕到達下游;當帷幕的長度小于此值時，滲透水流優(yōu)先選擇從左右兩岸繞滲到達下游。說明按以上方法確定的左右岸防滲帷幕長度和厚度，既滿足了防滲控制要求，又達到了最大程度節(jié)約投資的目的，是一種最優(yōu)設計方法。

工程實踐中，鉆孔灌漿區(qū)防滲帷幕厚度的確定，應取圖1中d所示的厚度。圖中I區(qū)為灌漿效果好的區(qū)域，Ⅱ區(qū)為灌漿效果差的區(qū)域，對于Ⅲ區(qū)而言，雖然處于灌漿效果差的區(qū)域，但是經(jīng)過兩次灌漿，理論上認為Ⅲ區(qū)與I區(qū)的灌漿效果相當，所以防滲帷幕的厚度d確定為圖1所示區(qū)域較為合理，滲透系數(shù)按I區(qū)灌漿效果時選取。至于擴散半徑R不僅與滲透系數(shù)有關(guān)，還與孔隙度有關(guān)，而且孔隙度較滲透系數(shù)對擴散半徑有著更大的影響［12］。

圖1 帷幕灌漿效果示意圖

2 算例分析

2.1 工程概況

某水電站位于四川省阿壩州境內(nèi)的大渡河干流上，是金川—丹巴河段分三級開發(fā)的第一級電站，電站裝機380mW。該工程最大壩高66.0m，為二等大(2)型工程，攔河壩為2級建筑物，設防地震烈度7度?？尚行匝芯侩A段比選推薦壩型為瀝青混凝土心墻堆石壩。

壩址區(qū)河流流向約 NE81°，枯水期河水位2082.00m，相應河水面寬60～85m，河道縱坡降約0.1%。正常蓄水位2130m，相應谷寬311～317 m。河谷呈岸坡對稱的“V”形，屬高山峽谷地貌。壩址區(qū)基巖為三疊系上統(tǒng)侏倭組()變質(zhì)砂巖、燕山晚期()似斑狀黑云花崗巖;第四系主要有沖積物()、洪積物、崩坡積物及階地堆積物()等。根據(jù)其物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)特征、工程特性等，壩軸線剖面從上向下可分為7大層和7個夾層或透鏡體:①粉砂層;②含砂含漂卵石礫石，包括②-1中粗砂、②-2中粗砂、②-3含礫砂3個子層;③含卵含礫中粗砂;④含砂含漂卵石，包括④-1細砂、④-2含卵中粗砂、④-3含卵中粗砂、④-4含卵含礫中砂4個子層;⑤含卵含礫中砂;⑥含砂含礫漂石卵石;⑦含卵含礫中砂。

該水電站滲流計算區(qū)域內(nèi)共涉及28種材料，本文計算用到的參數(shù)如表2所示。

表2 大壩滲流與穩(wěn)定計算參數(shù)

2.2 防滲帷幕優(yōu)化設計

a.深度的確定。該工程為二等大(2)型工程，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，防滲帷幕應深入q≤3 Lu的地層。為確保壩基的滲透穩(wěn)定，壩基下帷幕應深入3 Lu線以下5.0m，形成全封閉式防滲帷幕，深度為87 m。防滲帷幕伸入兩岸的長度按水庫正常蓄水位與兩岸水庫蓄水前的地下水位相交處確定，初步定為左岸95m，右岸120m。

b.長度計算。將表2中的參數(shù)代入式(2)(3)可得K河=5.23×10－7m，K左岸=5.84×10－7m/s，K右岸=6.82 ×10－7m/s，再由式(4)可計算得 L左岸=97.1 m，L右岸=113.5m。

c.厚度計算。將表2中的參數(shù)代入式(6)可計算得t=0.998 m。

2.3 三維滲流有限元計算

利用seep-3d有限元分析軟件，建立三維有限元模型。模型采用笛卡爾直角坐標系，橫河向坐標x原點選取在河床中心處，順河向坐標y原點選取在心墻中心處，垂直向坐標z原點選取在零標高處。采用前面計算得到的防滲帷幕的深度、長度以及厚度進行有限元計算，并對設計方案進行敏感性分析。有限元計算采用六面體網(wǎng)格，整個模型共劃分出100133個節(jié)點，107926個單元，模型及網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。分4種工況計算。

圖2 大壩滲流計算模型單元網(wǎng)格劃分

a.工況1:按設計防滲方案(厚1 m、深87 m的混凝土防滲帷幕，左、右兩岸防滲帷幕延伸長度分別為97 m和113 m)進行滲流計算。壩上游正常蓄水位2130.00m，下游相應水位2081.45m。

b.工況2:防滲帷幕厚1.2m，其他計算參數(shù)同工況1。

c.工況3:兩岸擴大防滲帷幕延伸長度方案(左岸260m及右岸311 m)，其他計算參數(shù)同工況1。

d.工況4:防滲帷幕底部向上15m范圍開叉，其他計算參數(shù)同工況1。

大壩各關(guān)鍵部位的滲流量及總滲流量、最大水力坡降、滲流速度的計算結(jié)果分別見表3、表4和表5。

表3 各工況關(guān)鍵部位滲流量及總滲流量 L/s

表4 各工況關(guān)鍵部位的最大水力坡降

表5 各工況關(guān)鍵部位的流速 m/s

由表3各工況關(guān)鍵部位的滲流量匯總結(jié)果可知:工況1總滲流量為13.164 L/s，總體滲流量很小，瀝青混凝土心墻、防滲帷幕以及大壩下游滲流出口處等部位的最大水力坡降均小于其允許水力坡降，但靠近左岸的堆石體在滲流出口處的最大水力坡降已達到1.554，超過堆石體的允許水力坡降，應對左岸靠近山體的堆石體進行局部保護。從圖3和圖4壩底高程2062m處水平剖面以及大壩心墻處順河剖面處的水頭等值線圖可以看出:工況1中87 m的防滲帷幕深度可以有效降低大壩上下游水頭。

圖3 大壩底高程2062m處水平剖面上的水頭等值線(單位:m)

圖4 大壩在x=115m處順河剖面上的水頭等值線(單位:m)

工況2在工況1的基礎上增加防滲帷幕厚度到1.2m后，總滲流量為12.89 L/s，與工況1的計算結(jié)果相比，滲流量略有下降，但下降幅度不大;靠近左岸的堆石體在滲流出口處的最大水力坡降為1.647，略大于工況1的1.554，應對左岸靠近山體的堆石體進行保護?？傮w而言:工況2與工況1計算結(jié)果相比無明顯差異，說明加厚防滲帷幕不能有效減少大壩的總體滲流量。

工況3在工況1的基礎上增加兩岸防滲帷幕的延伸范圍后，總滲流量為13.455 L/s，與工況1的計算結(jié)果相比滲流量略有減小?？拷蟀兜亩咽w在滲流出口處的最大水力坡降為1.645，略大于工況1的1.554，應對左岸靠近山體的堆石體進行保護?？傮w而言，工況3與工況1計算結(jié)果相比滲流量及各關(guān)鍵部位最大水力坡降略有減小，但減小幅度較小，說明增加兩岸防滲帷幕的設防范圍是不必要的。

工況4在工況1的基礎上防滲帷幕底部向上15m開叉后，總滲流量為123.957 L/s，比工況1的總體滲流量大9.4倍，瀝青混凝土心墻及防滲帷幕處最大水力坡降較工況1有一定程度的減小，滲流出口附近大壩堆石體中的水力坡降的最大值均比工況1有所提高，防滲帷幕水力坡降及堆石體靠近兩岸位置的滲流出口處超過允許坡降，從而使整個下游堆石體不滿足滲透穩(wěn)定要求。由此說明防滲帷幕的深度對壩體總滲流量會產(chǎn)生很大影響，保證防滲帷幕的深度能夠有效提高壩體的防滲效果。

綜上所述，最終確定的防滲帷幕最優(yōu)深度為87 m，向左、右兩岸延伸防滲帷幕的最優(yōu)長度分別取97 m及113 m，防滲帷幕厚度影響不是很顯著，1 m為最優(yōu)防滲帷幕厚度?？梢娀诒疚奶岢龅钠胶夥罎B原理進行防滲方案的優(yōu)化設計是可靠的。

3 結(jié)語

本文依據(jù)滲流控制原理，在滿足滲透穩(wěn)定(i＜［icr］)和滲流量控制標準的前提下，提出了大壩防滲體系設計的“平衡防滲法”，按此方法分別給出了防滲帷幕深度、長度、厚度的最優(yōu)化設計計算方法，并以某水電站防滲系統(tǒng)設計為例進行設計計算，再通過三維有限元軟件的計算結(jié)果進行分析，驗證了防滲帷幕設計深度、長度以及厚度的合理性。本文理論部分以防滲帷幕為例論述，其原理對防滲墻的設計同樣適用。

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