砌石壩綜合加固措施的滲流分析

胡松濤，張宇馳,2，高江林,2

(1.江西省水利科學(xué)研究院，南昌 330029；2.江西省水工安全工程技術(shù)研究中心，南昌 330029)

砌石壩，又稱圬工壩，是由一定規(guī)格要求的石料經(jīng)漿砌或干砌而成的一種擋水建筑物[1]，因其施工工藝簡單，就地取材等特點，能較好的適應(yīng)當?shù)氐淖匀画h(huán)境及社會經(jīng)濟條件，在建國初期得到了廣泛的應(yīng)用。隨著時間的推移，我國砌石壩大多已步入老壩的行列，有些甚至帶病運行，必須采取合理有效地加固措施以保證大壩的安全運行。滲透穩(wěn)定是砌石壩病險的主要問題，因此，分析加固前后壩體滲流場變化對于評估水庫的健康狀況尤為重要。國內(nèi)外常用的滲流計算方法分為理論分析法和實驗分析法兩類[2]，理論分析法包括：解析法、圖解法和數(shù)值方法。隨著電子計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，有限單元法逐步成為一種較為理想的滲流分析的計算方法。其實質(zhì)是一套求解微分方程的數(shù)值計算法，將實際的滲流場離散為有限個以結(jié)點互相連接的單元體，通過計算單元體結(jié)點處的水頭，求解任一點處的各項滲流要素。目前，最為常用的滲流計算有限元軟件包括：GEO-STUDIO[3,4]、MIDAS[5,6]、ABQUS[7,8]、ANSYS[9,10]等。其中，采用ANSYS熱分析模塊計算滲流，主要是利用滲流場與溫度場的相似性[11]，即：滲透系數(shù)、滲流流速和水頭對應(yīng)于熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱流速度和溫度；邊界條件設(shè)置為已知水頭分布；取比熱、熱介質(zhì)傳輸速度與內(nèi)部熱生成為零[12]。

本文以大塅水庫除險加固工程為例，建立了砌石壩加固前后的三維有限元模型，利用ANSYS有限元分析軟件，對6號壩段加固前后的水頭、滲透壓力和滲透坡降等滲流要素進行了計算，分析研究了壩體滲流場狀況，論證了大塅水庫加固方案中設(shè)置銜接帷幕方案的有效性。

1 滲流分析理論

公式(1)、(2)分別為Darcy定律和滲流連續(xù)性方程，將式(1)帶入式(2)，得到穩(wěn)定滲流微分方程，即式(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：υ為某一斷面上的平均流速；H為測壓管水頭，m；k為滲透張量，m/s。

對于穩(wěn)定滲流的定解問題，基本微分的定解條件只需知道邊界條件，分為Γ1第一類邊界條件(定水頭邊界條件)和Γ2第二類邊界條件(定流量邊界條件)。式(3)應(yīng)滿足如下邊界條件：

(4)

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

大塅水庫位于江西省銅鼓縣縣城東北，為修水上游支流山口水的第一梯級[11,13]。壩址以上控制流域面積610.45 km2，總庫容1.18 億m3，是一座具有防洪、灌溉、供水、發(fā)電等綜合利用的大(二)型水庫。電站裝機容量12.8 MW。工程正常蓄水位212.00 m，設(shè)計洪水位212.09 m，校核洪水位213.94 m(主壩)，校核洪水位214.54 m(副壩)，死水位197.0 m，水庫總庫容1.146 億m3。主壩為混凝土防滲面板漿砌石重力壩，壩頂高程215.2 m，頂寬8.0 m，最大壩高43.4 m，壩頂長357 m。

1997年8月，大塅水庫工程完成正式驗收。由于水庫建成較早，許多工程技術(shù)措施不到位，對水庫產(chǎn)生一系列安全隱患，致使水庫工程處于帶病狀態(tài)。如：主壩壩頂有較多裂縫，防滲面板存在裂隙、蜂窩、孔洞等缺陷；壩基防滲帷幕產(chǎn)生了較大溶出型腐蝕；壩體漿砌石孔隙率較大，局部存在空洞；廊道混凝土裂縫、漏水、析鈣嚴重[11]。

針對水庫存在的一系列安全隱患，2014年完成了水庫的除險加固工作，其加固內(nèi)容主要為：壩頂維持原高程215.20 m不變，在主壩上游原鋼筋混凝土面板上增設(shè)C25鋼筋混凝土防滲面板，上部為1.0 m，下部為1.46 m；對原帷幕灌漿重新灌漿加固后作為主帷幕，同時，在主壩上游壩踵處設(shè)混凝土壓漿板，壓漿板下設(shè)一排銜接帷幕，銜接帷幕向下游傾30°，與主帷幕銜接；對壩基原排水孔進行封堵后，在廊道底基巖重新設(shè)置孔徑為20 cm，孔距為3 m的排水孔；在廊道頂部，在保留原混凝土排水管(孔徑20 cm，孔距3 m)基礎(chǔ)上，新增設(shè)孔徑為91 mm，孔距為3 m的排水孔。

2.2 有限元模型建立

選取主壩6號非溢流壩段為研究對象，正常蓄水位工況(上游水位212.0 m)下考慮其為穩(wěn)定滲流，分別對其加固前后進行滲流分析。按照6號非溢流壩段加固前后的剖面圖，建立相應(yīng)尺寸的ANSYS三維有限模型，壩頂高程215.2 m，上下游地基長度考慮約4倍壩高，設(shè)置為160 m。地基深度約為2倍壩高，設(shè)置為100 m。模型采用solid45單元，對模型進行網(wǎng)格劃分。加固前模型共包含11 367個節(jié)點，46 211個單元；加固后模型包含24 562個節(jié)點，114 131個單元，如圖1所示。在這里假定計算區(qū)域邊界即地基四周邊界和上下游邊界為不透水邊界(由于采用溫度模塊計算即視為絕熱邊界)，壩體上游自由面取定水頭，廊道、壩體下游面和排水孔為自由溢出邊界。分別對以下兩個工況進行滲流計算：上游水位209.63 m，下游無積水(運行工況)；上游水位212.00 m，下游無積水(正常蓄水位工況)。

圖1 6號壩段加固前后有限元模型圖Fig.1 Finite element model of the 6thdam section before and after reinforcement

2.3 滲透系數(shù)的選取

滲透特性分區(qū)的合理性與滲透系數(shù)取值的準確性是進行滲流有限元計算的基礎(chǔ)。結(jié)合模型各區(qū)域的滲透特性，將加固前的模型分為5個滲透特性區(qū)，并賦予不同材料屬性(滲透系數(shù))，分別為：壩體砌石體區(qū)、原帷幕灌漿區(qū)、混凝土區(qū)(原混凝土防滲面板和混凝土基礎(chǔ))、上部地基、下部地基。將加固后的模型分為6個滲透特性區(qū)，并賦予不同材料屬性(滲透系數(shù))，分別為：壩體砌石體區(qū)、防滲帷幕區(qū)(主帷幕和銜接帷幕)、混凝土區(qū)(原混凝土防滲面板和混凝土基礎(chǔ))、新建混凝土防滲面板區(qū)、上部地基、下部地基。根據(jù)工程地勘報告和質(zhì)量抽檢報告中提供的壩體材料及防滲帷幕滲透系數(shù)建議值，類比其他工程的基巖滲透系數(shù)，本文選用的加固前后模型各滲透特性分區(qū)滲透系數(shù)如表1所示。

表1 加固前后各滲透特性分區(qū)滲透系數(shù)一覽表Tab.1 The permeability coefficient of the model permeability partition before and after reinforcement

注：加固后防滲帷幕包括加固前原防滲帷幕灌漿部位灌漿形成的主帷幕和新建的銜接帷幕。

3 計算結(jié)果分析

3.1 運行工況滲流特性分析驗證

為了驗證運行工況下的滲流場分布特征計算結(jié)果的合理性，將加固后工程中所設(shè)監(jiān)測點的壓力水頭實測值與計算結(jié)果進行對比，分別如表2所示，其中實測值選取的為2015年12月15日監(jiān)測點P40和P41的測壓管實測值。6號壩段設(shè)置的滲流監(jiān)測斷面樁號為Y0+197.00，該斷面銜接帷幕和主帷幕后分別布置了P40和P41兩個滲流監(jiān)測點。通過提取距離監(jiān)測點P40和P41位置最近節(jié)點的壓力水頭結(jié)果，求解出監(jiān)測點壓力水頭計算值。對比結(jié)果表明各監(jiān)測點壓力水頭計算值與實測值吻合較好，平均值的水頭誤差約為-1.86 m，通過數(shù)值模擬計算所得滲流場整體上能夠較好的反映壩體和基巖的滲流場分布特征。

表2 Y0+197.00斷面監(jiān)測點壓力水頭實測值與計算值對比 m

3.2 正常蓄水位工況滲流特性分析

滲流計算所得到的正常蓄水位工況下，6號壩段加固前后自由面和溢出點高程對比圖、6號壩段加固前后中心線剖面(即Y0+197.25)等水頭線、等壓力云圖和滲透坡降圖如圖2～圖5所示。

圖2 6號壩段加固前后自由面和溢出點高程對比圖Fig.2 Comparison offree surface and overflow point elevation before and after reinforcement inthe 6thdam section.

從圖2可以看出，加固前后的溢出點高程分別為177.96和176.04 m，加固后壩體下游幾乎無溢出點；加固后的滲流自由面與加固前相比，在經(jīng)過混凝土面板后自由面下降較為明顯，同時，壩體的浸潤線顯著降低，并在壩體下游溢出范圍較小，加固后的新建鋼筋混凝土防滲面板有效控制了壩體內(nèi)部的滲流場分布，壩體的滲流場狀況得到了極大地改善。

對比加固前后6號壩段的等水頭線圖和等壓力線圖，即圖3和圖4所示，加固前后等水頭線分布趨勢相同，在數(shù)值上差異也不大，等水頭線在防滲帷幕和廊道頂新設(shè)排水孔附近滲流場水頭線分布密集，加固后銜接防滲帷幕和主防滲帷幕相比加固前等水頭線分布更為集中，且加固后防滲帷幕底部的等水頭線最小值為191.9 m明顯低于加固前198.6 m，加固后防滲帷幕對地下水的滲流控制作用較為顯著；加固前后壩基底部壓力分布趨勢大致相同，自壩踵至壩趾逐漸遞減，6號壩段中心線剖面加固后基巖和壩體新設(shè)排水孔位置的壓力值分別為13.6和1.0，相比于加固前相同位置基巖和壩體的壓力明顯降低(加固前對應(yīng)相近位置壓力值分別為32.4和5.7)，廊道頂和基巖新設(shè)排水孔有效降低了壩體滲透壓力。

圖3 加固前后中心線剖面等水頭線(單位：m)Fig.3 Water head isolines of center line dam section before and after reinforcement

圖4 加固前中心線剖面等壓力云圖(單位：m)Fig.4 Isobaricnephogram of center line dam section before and after reinforcement

圖5為加固前后滲透坡降圖，加固前后的最大滲透坡降均出現(xiàn)在混凝土防滲面板的中下部位，最大坡降分別為15.36和20.65，特別是，加固后經(jīng)過防滲帷幕體的滲透坡降明顯降低，總體來看，加固后砌石壩體區(qū)和防滲體等部位的滲透坡降都較小，工程所采取的銜接帷幕和主帷幕相結(jié)合的滲控措施效果較好，壩體滲透穩(wěn)定性較高。

圖5 加固前后中心線剖面滲透坡降矢量圖Fig.5 Seepage gradient vector of center line dam section before and after reinforcement

3.3 銜接帷幕防滲效果分析

正常蓄水位工況下，通過對比加固后有無設(shè)置銜接帷幕時的壩基滲流場狀況，驗證銜接帷幕對于提高壩基的防滲可靠性的作用。滲流計算所得的中心線剖面有無設(shè)置銜接帷幕情況下的等水頭線云圖如圖6和圖7所示。

圖6 中心線剖面無銜接帷幕下的等水頭線云圖Fig.6 Water head isolinesnephogram of center line dam section without the connection curtain

圖7 中心線剖面有銜接帷幕下的等水頭線云圖Fig.7 Water head isolinesnephogram of center line dam section with the connection curtain

從圖6和圖7可看出，對于有無設(shè)置銜接帷幕情況下，砌石壩壩基水頭值分布狀況大致相同，主帷幕前壩基水頭值沿上游重構(gòu)的混凝土防滲面板逐漸減小，主帷幕后壩基水頭明顯降低，說明防滲面板和壩基主帷幕的防滲效果較為顯著。壩基滲流場差異主要集中在圖中黑色標識區(qū)域內(nèi)，即主帷幕與壩面防滲面板之間區(qū)域內(nèi)。當設(shè)有銜接帷幕時，該區(qū)域內(nèi)的壩基水頭沿銜接帷幕逐漸降低至主帷幕區(qū)域，且數(shù)值小于無銜接帷幕情況下該區(qū)域內(nèi)的水頭值。

可以認為，上游重構(gòu)防滲面板下部增設(shè)的銜接帷幕具有較好的防滲效果，同時，有效連接了壩體防滲體(防滲面板)與壩基防滲體(主帷幕)，使得壩體與壩基形成了一個完整封閉的防滲體系，提高了壩基主帷幕與防滲面板之間部位的抗?jié)B能力，極大地改善了砌石壩壩基的滲流場狀況。

4 結(jié) 語

以銅鼓縣大塅水庫除險加固工程為實例，建立了該砌石壩6號壩段加固前后的有限元模型，利用滲流場與溫度場的相似性，以ANSYS有限元分析軟件為平臺，對該壩段運行工況和正常蓄水位工況進行三維穩(wěn)定滲流計算及分析，計算結(jié)果表明：

(1)針對砌石壩采取的綜合加固措施，有效降低了壩體浸潤線、滲透壓力和滲透坡降，提高了壩體的抗?jié)B能力，使得本次除險加固在防滲處理上達到了良好的加固效果。

(2)在現(xiàn)有防滲排水體系下，新設(shè)銜接帷幕的滲控方案合理有效，研究結(jié)果可為滲控方案設(shè)計提供理論依據(jù)。

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