新疆阜康抽水蓄能電站攔沙壩防滲墻深度優(yōu)化及其防滲效果研究

崔博濤，劉小偉，鄧良超，胡小凡

(1.新疆阜康抽水蓄能有限公司，新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆哈密抽水蓄能有限公司，新疆 哈密 839001)

1 引言

增強(qiáng)土石壩壩體防滲能力是土石壩設(shè)計(jì)的重要技術(shù)參數(shù)，目前較為通用的技術(shù)措施是通過延長(zhǎng)滲徑或截阻水流來實(shí)現(xiàn)。衡量壩體防滲能力的主要技術(shù)參數(shù)為滲透坡降、浸潤(rùn)面高度等。為保障壩體的防滲能力，在壩體施工過程中加入灌漿、防滲墻或土工合成材料防滲等施工工藝。不同地基條件，各種防滲形式的效果相差較大，例如深厚覆蓋層地基，最優(yōu)的垂直防滲形式是在壩體中增設(shè)混凝土防滲墻。目前國(guó)內(nèi)使用混凝土防滲墻來增強(qiáng)防滲能力極為普遍，自1958年至今已有70多座大壩采用混凝土防滲墻形式防滲，成墻面積多達(dá)40多萬m2[1]，技術(shù)手段及施工工藝達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，防滲效果較為突出，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外各種深厚覆蓋層地基環(huán)境的大壩工程中。

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，學(xué)者們借助實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬的方式對(duì)混凝土防滲墻防滲效果進(jìn)行了大量的分析研究，陳慧遠(yuǎn)等利用槽內(nèi)實(shí)驗(yàn)[2]，通過有限元法計(jì)算滲流量，來判斷防滲墻的防滲能力。謝新華等搭建滲流模型平臺(tái)，通過數(shù)值模擬分析研究確定最優(yōu)防滲墻深度[3]，研究結(jié)果得出：對(duì)于深厚覆蓋層，地基防滲墻深與墻厚之比約在0.65～0.7范圍內(nèi)防滲效果最佳。李建華等選取的研究對(duì)象為無限深透水地基條件的土石壩[4]，根據(jù)邊界元計(jì)算原理建立壩基垂直防滲體滲流計(jì)算模型，充分利用其滲流場(chǎng)復(fù)雜、多變的幾何形狀和邊界條件等特點(diǎn)，分析研究得出近似的滲流量。上述的分析研究過程中，均未能考慮工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性，模型計(jì)算參數(shù)未能與工程實(shí)際相結(jié)合，防滲墻滲流量計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)測(cè)誤差較大。鑒此，本文參考阜康抽水蓄能電站工程實(shí)際，選取土石壩工程防滲墻深度作為主要參數(shù)，采用三維有限元法計(jì)算分析防滲墻深度對(duì)滲流計(jì)算結(jié)果的影響，分析其參數(shù)敏感性，進(jìn)而優(yōu)化防滲墻深度。

2 工程概況及材料參數(shù)

2.1 工程概況

2.2 材料參數(shù)

壩基巖體各層滲透參數(shù)見表1，壩體各料區(qū)滲透參數(shù)見表2。

表1 壩基巖體各分層滲透系數(shù)

表2 壩體各料區(qū)滲透系數(shù)

3 計(jì)算方法

3.1 建立模型

(1)建立模型坐標(biāo)系和控制范圍

借用三維非穩(wěn)定飽和-非飽和滲流有限元計(jì)算分析程序CNPM3D對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行三維有限元非穩(wěn)定滲流分析。根據(jù)實(shí)際控制坐標(biāo)建立計(jì)算坐標(biāo)系如下：模型坐標(biāo)原點(diǎn)選在2-2剖面(Y=122)與攔沙壩壩軸線的交點(diǎn)處；沿河流方向取為X軸，垂直于壩軸線方向，以上游指向下游為正方向；沿壩軸線方向?yàn)閅軸，以右岸指向左岸為正方向；Z軸為垂直方向，向上為正，與高程一致。

根據(jù)滲流分析的一般原則確定計(jì)算模型的范圍和邊界。上、下游邊界：壩軸線以上400 m為上游邊界，壩軸線以下300 m為下游邊界；左、右岸邊界：左邊界截取至左壩肩以左150 m，右邊界截取至右壩肩以右200 m；頂高程取實(shí)際地形，底高程截至1665 m。模型截取范圍見圖1。

圖1 計(jì)算模型截取范圍及剖面位置示意圖

(2)生成計(jì)算模型網(wǎng)格

本次計(jì)算網(wǎng)格劃分采用“控制斷面超單元有限元網(wǎng)格自動(dòng)剖分法”進(jìn)行[5]，生成有限元計(jì)算信息。主要流程是：對(duì)影響因素較高的區(qū)域建立少量的典型控制斷面，對(duì)該區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致分析，通過這些控制斷面構(gòu)成超單元，用自編網(wǎng)格自動(dòng)剖分程序?qū)Τ瑔卧M(jìn)行細(xì)剖，從而最終生成有限元網(wǎng)格。三維有限元模型網(wǎng)格見圖2，防滲墻有限元網(wǎng)格見圖3。

圖2 三維有限元網(wǎng)格圖

圖3 防滲墻有限元網(wǎng)格

(3)邊界條件

在穩(wěn)定滲流期，滲流分析的邊界類型主要有已知水頭邊界、出滲邊界及不透水邊界三種[6-7]：

由于大體積混凝土自身重量大，施工規(guī)模大，產(chǎn)生的應(yīng)力也較大，所以，為了能夠足以支撐大體積混凝土的重量，需要確保板底支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性并進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)算以確保安全。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工管理經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于承重結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及沉降應(yīng)編制專項(xiàng)方案并進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)和檢算。如果沒有進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)和檢算，由于板體不均勻沉降，會(huì)使大體積混凝土應(yīng)力無法釋放，造成之后的混凝土?xí)粩喈a(chǎn)生裂紋。另外，這些裂紋會(huì)出現(xiàn)在混凝土終凝之前，此時(shí)的力度也不夠足以產(chǎn)生抵抗力。

1)已知水頭邊界包括壩址區(qū)上下游水位線以下的水庫庫岸和庫底、壩體上游坡和下游坡、河道，以及給定地下水位的截取邊界；

2)出滲邊界為壩址區(qū)上下游水位線以上的左、右岸山坡面，以及壩體上、下游坡面和壩頂；

3)不透水邊界包括模型上下游兩側(cè)和左右岸兩側(cè)截取邊界除給定地下水位以外的部分邊界以及模型底面。

3.2 防滲效果分析

根據(jù)阜康抽水蓄能電站下水庫工程的實(shí)際情況，采取校核洪水位下形成穩(wěn)定滲流情況進(jìn)行計(jì)算，校核洪水位為1812.5 m，下游水位為下水庫死水位1743 m。對(duì)現(xiàn)有垂直防滲墻深度方案開展敏感性分析，分析防滲墻深度對(duì)壩體、壩基滲流場(chǎng)的影響，提出合理的優(yōu)化布置方案。具體布置方案見表3，結(jié)果見圖4～圖7。

表3 防滲墻方案三維穩(wěn)定滲流敏感性分析

圖4 防滲墻底高程1745 m攔沙壩中央剖面位勢(shì)圖

圖5 防滲墻底高程1755 m攔沙壩中央剖面位勢(shì)圖

圖6 防滲墻底高程1765 m攔沙壩中央剖面位勢(shì)圖

圖7 防滲墻底高程1775 m攔沙壩中央剖面位勢(shì)圖

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 壩址區(qū)滲流場(chǎng)

各工況下混凝土防滲墻削減水頭百分率見表4，這里削減水頭百分率按下式計(jì)算：

表4 各工況下混凝土防滲墻削減水頭百分率

削減水頭百分率=H上防滲墻-H下防滲墻/(H上-H下)×100%

式中：H上和H下和分別為攔沙壩所對(duì)應(yīng)工況下的上下游水位，H上防滲墻和H下防滲墻分別為防滲墻前后壩體內(nèi)浸潤(rùn)線最高位置。

由圖4～圖7壩體剖面地下水位勢(shì)分布圖可見，浸潤(rùn)面在混凝土防滲墻上下游形成了突降。表4給出了攔沙壩中央混凝土防滲墻壩體內(nèi)上下端浸潤(rùn)面的位置。由表4可知，在防滲墻底高程為1745 m(工況FSQ-1)的工況下，消減的水頭為31.28 m，占總水頭的48.55%，可見混凝土防滲墻的防滲效果還是比較明顯的；防滲墻深度分別減少10 m(工況FSQ-2)、減少20 m(工況FSQ-3)以及減少30 m(工況FSQ-4)的工況下，削減的水頭分別為18.96 m、14.03 m、9.38 m，分別占總水頭的27.28%、20.19%、13.50%。

3.3.2 壩體和壩基的滲透坡降

攔沙壩中央壩體和壩基各料區(qū)的最大滲透坡降見表5。

表5 中央壩體和壩基各料區(qū)的最大滲透坡降

由表5和攔沙壩中央橫剖面的位勢(shì)圖可見，在各種工況下，混凝土防滲墻的滲透坡降最大，壩基各料區(qū)的滲透坡降較小，由于浸潤(rùn)面低于攔沙壩建基面，因此壩體處于非飽和狀態(tài)，壩體內(nèi)各材料分區(qū)滿足滲透穩(wěn)定要求。

由表5可知，在防滲墻深度分別減少10 m(FSQ-2)、減少20 m(工況FSQ-3)以及減少30 m(工況FSQ-4)的工況下，混凝土防滲墻的滲透坡降越來越小，壩坡出逸處的滲透坡降越來越大，當(dāng)防滲墻深度減少30 m(即底高程1775 m)時(shí)，壩坡出逸處的坡降為0.264，已經(jīng)大于允許滲透坡降0.2，此時(shí)壩坡發(fā)生滲透破壞。

4 結(jié)論與建議

(1)防滲墻深度減少10 m以及減少20 m對(duì)總滲透流量影響不大；防滲墻深度減少30 m時(shí)，壩體浸潤(rùn)面抬高，滲透流量有了明顯增大，防滲墻部分失效或者施工質(zhì)量差會(huì)導(dǎo)致流量大幅增加，因此控制混凝土防滲墻的施工質(zhì)量是必要的。

(2)由防滲體敏感性分析可知，采用垂直防滲墻(底高程1765 m)可滿足防滲要求。