土工膜修復漿砌石重力壩滲漏的效果分析

王力波，岑威鈞，鄭長海

(河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098)

漿砌石重力壩是用膠結材料砌筑石料建成的重力壩，主要依靠自身重量保持壩體穩(wěn)定和滿足強度要求[1-2]。這種壩型能就地取材，方量比土石壩少，導流和度汛問題較易解決，比常規(guī)混凝土重力壩節(jié)省大量水泥，但耗費勞力較多。漿砌石重力壩適用范圍比較廣泛，只要地質條件符合，壩址區(qū)石料豐富，均可考慮建造漿砌石重力壩[3-4]。中國不少砌石壩建于解放前后，當初筑壩質量較差，壩體石料間的砌縫膠結材料填筑不夠密實，后續(xù)運行過程中出現了滲漏現象[5-8]，后續(xù)滲漏修復中往往在上游壩面增設混凝土面板或土工膜等防滲措施[7-8]。

土工膜是一類新型柔性防滲材料，具有良好的防滲性、耐熱性、耐寒性和化學穩(wěn)定性，有較大斷裂伸長率，適應變形能力強，且造價低，已廣泛應用于堤防、庫盤、蓄水池、圍堰等防滲工程，同時也應用于土石壩等(較)高水頭防滲工程中[9-10]。根據國際大壩委員會2010年的統(tǒng)計資料，國際上已有160余座大型堆石壩采用土工膜防滲，并取得了良好的工程效果。目前中國對土工膜防滲土石壩滲流的研究成果很多[11-15]，但對土工膜防滲漿砌石重力壩的滲流研究相對較少。

本文以某漿砌石重力壩進行土工膜滲漏修復為例，采用GeoStudio軟件對大壩進行滲流場有限元計算，得到大壩水頭分布、滲流量、滲透坡降、防滲土工膜后浸潤線高度等結果，對土工膜滲漏修復效果進行評價。

1 工程概況與計算模型

某漿砌石重力壩，壩高46 m，壩頂寬7.25 m，非溢流段壩長146.5 m，非溢流段剖面見圖1。壩基上部為強風化巖石，深度約為30 m，中部為弱風化巖石，深度約為32 m，底部為相對不透水層。在壩踵處布置主帷幕孔，在主孔下游布置副帷幕孔，采用間隙灌漿法對壩基進行灌漿，主帷幕孔深度達30 m，副帷幕孔深度達20 m。壩基有斷層，斷層寬約2 m，與壩基面交角約為45°，斷層膠結程度較差，帷幕灌漿通過斷層。在壩基面設C15混凝土墊層。由于大壩建造時間較早，壩體和壩基均出現了嚴重的滲漏。滲漏修復設計方案論證時，提出在上游壩面設置0.8 mm厚的HDPE土工膜作為防滲面板，土工膜表面外掛預制混凝土板，用于保護土工膜免受庫水和日照等環(huán)境影響，防止水庫漂浮物撞擊土工膜及延緩土工膜老化；同時在壩基廊道內，按1.5 m間距，前后兩排進行帷幕灌漿，提升壩基帷幕的防滲功能。土工膜與帷幕之間通過壩基混凝土墊層相接，形成自上而下封閉的防滲體系。上述滲漏修復方案需要通過滲流場計算來論證其合理性。

圖1 非溢流段剖面

本文以非溢流壩段為研究對象，壩基深度取90 m，約為2倍的壩高，順河流向在壩踵、壩趾上下游各取115 m。大壩有限元網格見圖2，其中結點數為6 686，單元數為6 568。由于土工膜厚度很薄，有限元建模時將其等效成20 cm厚的多孔介質防滲體[16]，進行網格剖分。滲流有限元計算參數見表1，計算工況見表2。

圖2 大壩有限元網格

表1 滲流有限元計算參數 單位：cm/s

表2 計算工況 單位：m

2 滲流場特性分析

2.1 等水頭線分布及膜后浸潤線高度

圖3、4給出了帷幕失效(工況1)和正常運行(工況2)條件下大壩等水頭線分布。設計工況和校核工況下的計算結果與圖4(工況2)相似，僅數值有所差別，等水頭線分布圖不再一一給出。由圖3可見，由于壩面設置防滲土工膜，削減了絕大部分水頭差，壩內浸潤線位置低，位于壩基面以上一定高度。壩基帷幕失效時(工況1)，壩基等水頭線分布均勻，在壩基地層分界處及斷層處等水頭線有明顯轉折，說明不同地層及斷層對等水頭線分布有一定影響。由圖4可見，正常工況下，由于壩基帷幕、壩基混凝土墊層及壩面土工膜形成了完整的防滲系統(tǒng)，大壩等水頭線主要集中于壩面土工膜和壩基帷幕處，壩體浸潤線高程低，僅高于建基面約1.36 m，表明采用壩面設置土工膜進行滲漏修復后大壩的防滲性能很好。

圖3 帷幕失效工況等水頭線分布

圖4 正常運行工況等水頭線分布

計算得到帷幕失效工況、正常運行工況、設計工況和校核工況下壩體膜后浸潤線高度分布為1.52、1.36、5.95 m(比下游水位高0.86 m)和6.52 m(比下游水位高0.84 m)。由于壩基帷幕灌漿防滲作用顯著，正常運行工況下的膜后浸潤線比帷幕失效(工況1)時的膜后浸潤線高。另外，由于下游有水，設計工況和校核工況的膜后浸潤線比正常運行工況的膜后浸潤線高。隨著上游庫水位的增加，膜后浸潤線高度與下游水位差值也逐漸增加。

2.2 滲透坡降

根據計算結果，帷幕失效(工況1)下壩體內的最大滲透坡降為1.60，出現在下游坡出滲點附近。正常運行(工況2)下壩體內的最大滲透坡降為0.92，出現在下游坡出滲點附近，帷幕灌漿的最大滲透坡降為20.46，出現在帷幕灌漿的壩基高程附近，未超過一般允許值30。由于壩基帷幕灌漿的防滲作用，正常運行工況下壩體內的最大滲透坡降比帷幕失效工況下壩體內的最大滲透坡降小。設計工況和校核工況下壩體最大滲透坡降分別為0.84、0.86，其逸出點位置都出現在下游坡出滲點附近，由于上游水位發(fā)生變化(設計工況和校核工況上游水位分別比正常運行工況上游水位高1.21、2.56 m)，下游水位抬高后，壩體內最大滲透坡降略有減少，并且壩體內最大滲透坡降隨上下游水位差的增加而增大。

2.3 滲流量

各工況下，計算得各區(qū)域流量結果以及總流量見表3。由表可知，上游壩面由于設置了土工膜防滲面板，壩面入滲流量小于10-9m2/s，防滲效果非常理想，幾乎可視為不透水。修復后的壩基主帷幕灌漿深度為30 m，副帷幕灌漿深度為20 m，都位于強風化層。正常運行(工況2)與帷幕失效(工況1)相比，壩基強風化層滲流量減少54%，這是由于位于強風化層被帷幕灌漿貫穿，顯著減小了該地層的壩基滲流量；但同時由于帷幕灌漿端部繞滲作用，使得弱風化層滲流量相比工況1增加172%。由此可見，帷幕灌漿對壩基滲流量影響較大，防滲作用顯著。帷幕失效工況和正常運行工況下大壩單寬總滲流量分布為82.35×10-6、49.41×10-6m2/s，后者相比前者滲流量減小了40%，表明壩基帷幕灌漿防滲作用顯著。正常運行工況、設計工況和校核工況時上下游水頭差分別為42.50、38.62、39.38 m，相應的單寬流量分別為49.41×10-6、44.90×10-6、45.78×10-6m2/s，可見隨著上下游水頭差的增大，大壩總滲流量及各區(qū)域滲流量均逐漸增加。

表3 各區(qū)域流量計算結果 單位：10-6 m2/s

圖5、6為各工況下的上、下游地表結點入滲和出滲流量分布。由圖5、6可知，各工況下，上下游地表結點流量分布規(guī)律相同，壩趾(踵)處流量很小，距離壩趾(踵)1 m處(壩底混凝土墊層與壩基臨界處)流量最大，從壩趾(踵)處到距離壩趾(踵)1 m處流量驟增，距離壩趾(踵)大于1 m時，隨距離的增加，結點流量逐漸減小，且距離越遠，同一結點的各工況上下游地表滲流量相差越小，由此表明壩基滲流主要集中里壩踵和壩趾一定范圍內，遠處壩基的入滲和出滲已經很小，可忽略。隨著上下游水頭差的增大，各工況下大壩上下游地表結點滲流量也逐漸增加，其中正常運行工況下的上下游地表結點滲流量相比帷幕失效工況下相應結點的滲流量明顯減小，說明帷幕灌漿的防滲作用顯著。將各結點流量求和，可得上游壩基入滲流量與下游壩基出滲流量，由表3可見，大壩總的入滲流量與出滲流量保持了平衡。

圖5 上游地表結點入滲流量分布

圖6 下游地表結點出滲流量分布

2.4 滲流流速矢量

帷幕失效工況和正常運行工況的滲流流速矢量分別見圖7、8。由圖7、8可知，斷層處流速方向與斷層走向一致，上游入滲處和下游逸出處流速相對較大，正常運行時壩基滲流速度相對帷幕失效時較低，其中帷幕失效時的最大流速出現在上游入滲點附近，最大值約為5.32×10-6m/s，正常運行時的最大流速出現在下游壩趾處，流速約為2.78×10-6m/s?？梢妷位∧还酀{改變了壩基滲流的流速場，影響了壩基的滲流性態(tài)。

圖7 帷幕失效工況壩基流速矢量

圖8 正常運行工況壩基流速矢量

3 結語

a)壩面土工膜水頭削減顯著，控制了壩體滲流場的水頭分布和浸潤線高度。正常運行下膜后壩體浸潤線僅高于建基面約1.36 m，表明壩面設置土工膜適用于漿砌石重力壩滲漏修復。

b)隨著上下游水頭差的增大，大壩滲流場各區(qū)滲流量和總滲流量逐漸增加，同時上下游地表結點入滲和出滲流量也逐漸增加，但出入流量保持平衡。

c)隨著上下游庫水位差值的增加，大壩滲透坡降逐漸增加，但均小于允許值；下游水位抬高后，膜后浸潤線增高。