會澤水庫壩基防滲體結(jié)構(gòu)設(shè)計及其滲流計算分析

向代全

(四川省隆德科技咨詢有限公司，成都，610073)

0 引言

土石壩工程為利用壩址及其周圍土石料堆積、碾壓而成的水工建筑物，較重力壩等其他材料壩體，其經(jīng)濟性明顯，綜合造價僅為重力壩的1/10，具備良好的推廣前景。伴隨土石壩的廣泛建造及使用，諸多工程問題顯現(xiàn)出來，利用工程經(jīng)驗無法解決“壩基滲流”“地基處置”等復(fù)雜工況。土石壩較其他壩體對地基的適用性較差，因此，施工前需要對壩基進行有效處置，預(yù)防發(fā)生流土、管涌等情況的發(fā)生[1-3]。

壩基滲流是流體通過壩體基礎(chǔ)的多孔介質(zhì)的水力現(xiàn)象，是涉及多學(xué)科體系的分析計算，包含水力學(xué)、土力學(xué)及巖石力學(xué)，還與地下水動力學(xué)、土壤學(xué)等學(xué)科密切相關(guān)。土石壩建成蓄水后，由于上下游水位差，水體在壩基形成滲流。滲流的形成，引起大量的水體損失，影響經(jīng)濟效益，與此同時，過大的滲流坡度及比降或威脅壩體穩(wěn)定性，因此在土石壩工程可行性研究階段需要對壩基滲流進行計算與分析[4-5]。滲流定律、滲流微分方程的分析方法僅適用于均勻介質(zhì)，對研究單元的邊界條件具有較高要求，在實際應(yīng)用及推廣過程中受到嚴重限制，隨著計算機及大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值分析方法，包括有限元分析、有限差值分析的方法，在解決壩基滲流的過程中得到廣泛應(yīng)用[6-7]。

1 工程背景

會澤水庫位于黑龍江省七臺河市撓力河之上，主要任務(wù)為工農(nóng)業(yè)供水、防洪，同時兼顧生態(tài)用水、補水，改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，是一座集供水、防洪、生態(tài)及美化環(huán)境等綜合功能的中型水庫。

會澤水庫工程包括壩體、表孔溢洪道(閘)、放水洞、庫盆擴挖、工程管理設(shè)施等內(nèi)容。大壩位于東方林村西南千秋山南側(cè)，壩型為土石壩，采用復(fù)合土工膜防滲，壩軸線長度為635m；表孔溢洪道(閘)布設(shè)在土石壩南側(cè)，采用底流消能(消力池消能)，溢洪道全長432.5m，由引水道、控制工程段、消力池護坦、泄洪槽、消力坎、海漫及防沖槽等組成；表孔溢洪道泄洪閘為5孔，單孔凈寬11.5m，閘底板高程325.0m，采用弧形閘門，電氣液壓式啟閉機；土石壩放水洞設(shè)置于表孔溢洪道左側(cè)，與表孔溢洪道邊孔閘墩相鄰，室底高程324.5m，放水洞尺寸為2.5m×2.5m，雙孔布置，由有壓引水隧洞進口、閘室段(包括工作閘門、檢修閘門及連接段)、引水隧洞等部分組成。

在可行性研究階段，利用勘察及設(shè)計數(shù)據(jù)確定壩基防滲方案，采用加拿大Geo公司的二維分析軟件中有限元滲流模塊計算截滲后大壩典型斷面不同工況下的滲漏量及壩體控制部位的比降，驗證設(shè)計方案的合理性。

2 無截滲措施工況滲流計算與分析

根據(jù)《會澤水庫工程地質(zhì)勘查報告》資料顯示，壩基地層(1)層粗砂、(2)層淤泥質(zhì)粘土、(3)層粗砂、(4)層壤土，壩基滲漏以河谷段粗砂為主，是壩基滲漏的嚴重地段，按照工程經(jīng)驗需要采取有效的截滲措施。根據(jù)地形地質(zhì)條件，選擇大壩0+100和0+220兩個典型斷面進行計算。滲流計算工況見表1。

表1 滲流計算工況

實際模擬過程中，典型橫斷面上，各透水區(qū)的滲透參數(shù)的設(shè)定，根據(jù)實際查勘地質(zhì)數(shù)據(jù)選取，在壩體浸潤線的求解過程中，取小數(shù)據(jù)的平均數(shù)值，在進行壩基滲流量求解過程中，取大數(shù)據(jù)的平均數(shù)值，根據(jù)《會澤水庫工程地質(zhì)勘查報告》，筑壩材料及大壩基礎(chǔ)部分的滲透參數(shù)見表2。

表2 壩基及壩體土滲透系數(shù)一覽

無防滲措施情況下各工況條件下滲流量模擬計算數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 無防滲措施條件下各工況滲流量

由表3計算數(shù)據(jù)可知，對于0+220斷面，校核洪水位下壩基滲流量最大，達到26.98m3/m·d，平均滲流量達到24.71m3/m·d，年平均滲流量可達到321.95萬m3，占興利庫容的15.21%，根據(jù)經(jīng)驗分析，壩基滲漏量較嚴重，需要采取截滲措施。

3 壩基截滲措施選擇與模擬計算分析

3.1 壩基截滲措施選擇

由地質(zhì)資料及無截滲措施分析可知，壩基滲漏以河谷段粗砂為主，是壩基滲漏的嚴重地段。大林格斷層壩址相交，該斷層為張性斷裂，為導(dǎo)水?dāng)嗔汛嬖趬位鶟B漏問題，應(yīng)采取處理措施。

根據(jù)工程所在區(qū)域的地質(zhì)勘察情況以及設(shè)計經(jīng)驗，本工程采用垂直截滲。根據(jù)防滲體的工作原理及施工工藝不同，可分為材料置換和介入的方法，顧名思義，材料置換是利用特殊防滲材料將原有地基基礎(chǔ)置換，例如混凝土材料防滲墻，介入是指不改變現(xiàn)有地基，采用高噴板墻等方法對原有地基進行加固[8-9]。

根據(jù)土石壩壩基實勘的地質(zhì)地層結(jié)構(gòu)，借鑒國內(nèi)其他工程設(shè)計經(jīng)驗，從防滲技術(shù)施工難度、技術(shù)的復(fù)雜程度、經(jīng)濟成本分析以及工程地質(zhì)勘察成果等，選取振動切槽式的防滲板墻、塑性混凝土防滲墻和高噴混凝土板墻三種壩基防滲技術(shù)措施進行方案比選。

振動切槽式的防滲板墻墻厚度受施工空間限制，施工工藝中工具的震動對壩體尤其是壩腳的穩(wěn)定性也會產(chǎn)生不利影響，根據(jù)國內(nèi)施工經(jīng)驗，該措施采用較少；高噴混凝土板墻工藝受到所在區(qū)域土體材料的限制，施工完后孔之間的填充程度及結(jié)合情況屬于隱蔽工程，不易檢查，防滲效果并不理想；塑性混凝土防滲墻單價較其他兩種措施稍高，但其防滲效應(yīng)顯著提高，墻體穩(wěn)定性較好，工程實施難度不高，使用壽命長，與下部基巖結(jié)合好[10-11]。綜上所述，從經(jīng)濟成本、工程可靠性、防滲效應(yīng)等方面綜合考慮，壩基防滲采用塑性混凝土防滲墻。

3.2 塑性混凝土防滲墻設(shè)計

3.2.1 位置確定

塑性混凝土制防滲墻整體軸線位于壩體上游，與壩腳距離為3m。

3.2.2 防滲墻參數(shù)確定

(1)作用水頭控制

防滲墻厚度設(shè)定需要與允許滲透比相協(xié)調(diào)，按照比降值為550控制，在興利水位工況下運行時作用的水頭為10.50m，計算得防滲墻厚度不小于0.19m，正常運行情況下作用水頭10.5m，結(jié)合其他工程實例分析確定，本壩體塑性防滲墻的厚度擬選為0.40m。

(2)槽孔垂直度控制

槽孔不垂直度為0.45%，其對應(yīng)的混凝土防滲墻的最大深度為16.4m，單側(cè)的偏于整體軸線的最大許可值為4.52cm，與搭接的厚度相適應(yīng)。

3.2.3 混凝土防滲墻布置范圍

防滲墻墻頂利用壤土包裹，墻底嵌入強風(fēng)化基巖以下0.6m。根據(jù)地質(zhì)勘探資料，混凝土防滲墻布置范圍在大壩設(shè)計樁號0+100～0+250壩段，總長度為150m。

3.2.4 混凝土防滲墻體材料、性能指標要求

墻體材料選擇為塑性混凝土防滲墻，厚度選定為0.40m，抗壓強度3.5MPa～5.0MPa，彈性模量不大于1600MPa，其滲透系數(shù)K<1.5×10-6cm/s。

3.3 截滲后大壩滲流計算與分析

根據(jù)壩體基礎(chǔ)地形地質(zhì)情況，設(shè)置截滲墻措施后選定壩體0+100和0+2200兩個斷面進行模擬計算分析。計算模擬方案、軟件選定、計算工況、計算參數(shù)的選取皆與無截滲措施狀態(tài)下壩基滲流計算相同。塑性混凝土防滲墻的滲透系數(shù)為1.0×10-6cm/s。滲流計算數(shù)據(jù)見表4、表5，各計算工況下的壩體等勢線見圖1-圖6。

表4 塑性混凝土防滲墻措施下各工況滲流量

表5 塑性混凝土防滲墻措施下控制部位計算比降

圖1 0+100斷面興利水位下壩體等勢線

圖2 0+100斷面設(shè)計洪水位下壩體等勢線

圖3 0+100斷面校核洪水位下壩體等勢線

圖4 0+220斷面興利水位下壩體等勢線

圖5 0+220斷面設(shè)計洪水位下壩體等勢線

圖6 0+220斷面興利水位下壩體等勢線

模擬結(jié)果分析：

(1)壩體在各種選定水位下壩后排水溝處出逸比降均小于該層土的允許比降，滿足設(shè)計要求。

(2)大壩采取混凝土截滲墻措施后，正常水位下滲漏量最大，為4.62m3/d·m，假如按大壩長度357m計算，年平均滲漏量約為42.85萬m3，占整體興利庫容的2.02%，滲漏量較無截滲措施時明顯降低，截滲效果十分顯著。

(3)利用該模擬軟件對振動切槽式防滲板墻、塑性混凝土制防滲墻兩種截滲措施的滲流量進行計算，水庫的年平均滲漏量分別為69.53萬m3和123.42萬m3，塑性混凝土防滲墻截滲效應(yīng)分別提高8.29%、25.03%。

4 結(jié)論與建議

對黑龍江省七臺河市撓力河會澤水庫壩基截滲措施進行設(shè)計、計算與分析，墻體材料選擇為塑性混凝土防滲墻，厚度選定為0.40m，抗壓強度3.5MPa～5.0MPa，彈性模量不大于1600MPa，其滲透系數(shù)K<1.5×10-6cm/s；槽孔不垂直度為0.45%，單側(cè)的偏于整體軸線的最大許可值為4.52cm；塑性混凝土防滲墻整體軸線位于壩體上游，與壩腳距離為3m。利用有限元分析軟件加拿大Geo公司的二維分析軟件中有限元滲流模塊進行研究計算，選定興利水位、設(shè)計洪水位、校核洪水位三種工況下，分別計算0+100斷面和0+220斷面無截滲措施及設(shè)置塑性混凝土截滲墻后的滲流量的變化。無截滲措施時，平均滲流量達到24.71m3/m·d，年平均滲流量可達到321.95萬m3，占興利庫容的15.21%，大壩采取混凝土截滲墻措施后，正常水位下滲漏量最大，為4.62m3/d·m，年平均滲漏量約為42.85萬m3，占整體興利庫容的2.02%，截滲效果顯著。設(shè)置截滲措施后壩體在各種選定水位下壩后排水溝處出逸比降均小于該層土的允許比降，滿足設(shè)計要求。

克服滲流定律、滲流微分方程等分析方法的局限性，選定適宜的有限元分析軟件，通過對不同類型截滲措施設(shè)計、計算、分析、對比，確定合理的截滲措施，類似工程地質(zhì)條件土石壩壩基滲流結(jié)構(gòu)設(shè)計可參考該方法確定經(jīng)濟適用的方案。