某水庫防滲墻設計及地質(zhì)構(gòu)造影響下的滲透與應力特性研究

鄒福華

(江西省水利水電建設集團有限公司，江西 南昌 330000)

1 概述

防滲墻是水庫壩體等水工建筑中常見的防滲結(jié)構(gòu)設施[1-2]，研究防滲墻結(jié)構(gòu)體系設計，有助于提高水工建筑防滲水平，推動水利設施安全高效運營。在水利工程建設中，地質(zhì)構(gòu)造活動常為不良因素[3-4]，可采用避開或治理措施，解決地質(zhì)構(gòu)造對水工建設的影響。劉菊蓮[5]、林小聰[6]為探討防滲墻結(jié)構(gòu)設計，從水工建筑三維滲流場特征演變?nèi)胧郑柚鶩luent流場模擬平臺，開展了防滲墻設計方案的比選，為工程建設提供重要參照。防滲墻對水工建筑的影響不僅在滲流場中得到體現(xiàn)，同樣作用于結(jié)構(gòu)應力、變形，唐友山等[7]、溫立峰等[8]借助ANSYS或Abaqus等有限元計算方法，從防滲墻結(jié)構(gòu)的拉、壓應力影響變化，以及各向位移值的演變，評價防滲墻設計方案的優(yōu)劣性。地質(zhì)構(gòu)造包括有節(jié)理、斷層帶等，龔振[9]、楊順剛[10]為研究斷層等地質(zhì)構(gòu)造對水工設計影響，結(jié)合應力分布、流場演變特征等，綜合評價斷層對防滲墻設計、主壩運營等影響，為不良地質(zhì)構(gòu)造的治理設計以及水工參數(shù)設計等提供依據(jù)。

2 研究概況

2.1 工程分析

某水庫是錦河北岸蘇溪河支流重要水利樞紐，控制著蘇溪河與錦河匯流區(qū)水位、泄流量等，所處壩址距離蘇溪河與錦河交匯區(qū)下游15km，承擔著高安乃至宜春地區(qū)重要防洪、輸供水。2020年汛期，該水庫的多梯度調(diào)節(jié)水位，控制泄流量等排洪措施，緩和了宜春、高安地區(qū)防洪挑戰(zhàn)，但同時也發(fā)現(xiàn)了水庫部分水工建筑無法滿負荷運行，甚至部分水利設施出現(xiàn)“罷工”狀態(tài)。在該年度過后，該水庫管理部門考慮針對各類水工建筑開展汛后維修加固，確保水庫運營安全穩(wěn)定。水庫除險加固工程平面布置如圖1所示，工程建設內(nèi)容包括有各梯級進、出水渠段重修以及主、副壩加固。該水庫主壩為砂礫石心墻壩設計形式，堆筑料包括有砂礫石、反濾層、粉質(zhì)黏土心墻墊層以及下游砂礫石、排水渠溝等，其斷面如圖2所示。從主副壩運營狀況及壩基鉆孔資料調(diào)查得知，上覆蓋第四系土層包括了3層不同粒徑及地質(zhì)年代的砂礫石，總厚度超過50m，且在壩體K3+62處具有一處隱伏斷層，延伸斷面長為200m，寬度為14.5m，發(fā)育有礫石碎料夾層?；谏鲜隹紤]，工程部門計劃在增設主壩防滲墻的前提下，探討該隱伏斷層對主壩防滲墻結(jié)構(gòu)體系影響。

圖1 高安水庫除險加固工程平面布置

圖2 壩體標準斷面示意

2.2 建模分析

根據(jù)地質(zhì)雷達探討隱伏斷層出現(xiàn)的斷面前、后樁號175m區(qū)域，獲得斷層分布電磁特征[11-12]如圖3所示，斷層傾角為75°，巖性分布為礫石層，延伸長度為80m，而后續(xù)與之侵入接觸面的為延伸5m的泥質(zhì)灰?guī)r，從該巖性直至樁號K3+212處。斷層帶內(nèi)各巖性含水率分布為8.5%～11.3%，密度為1.98～2.06g/cm3，斷層巖體彈性模量為10GPa，斷層蔓延深度還未可知。本文一方面需探討主壩防滲墻結(jié)構(gòu)設計合理深度，也需針對隱伏斷層特征開展防滲墻結(jié)構(gòu)應力、滲透影響分析。

圖3 斷層分布電磁特征

為此，采用Abaqus仿真計算平臺建立水庫主壩模型，如圖4(a)所示。該模型計算范圍包括了斷層與防滲墻結(jié)構(gòu)，斷層深度根據(jù)模型影響范圍設定，延伸深度為120m，滲透特性計算參數(shù)按照片麻巖基巖取值。根據(jù)斷層所在位置截取其中前、后175m為獨立模型，如圖4(b)所示，將該模型視為獨立計算維度，其中x～z正方向分別為主副壩延伸向、上游蘇溪河水流向以及壩體結(jié)構(gòu)自重上方向。全模型中共有單元網(wǎng)格221674個，節(jié)點數(shù)168246個，采用三自由度六面體為計算單元。設定模型底面分別無水系交換邊界，左、右2岸側(cè)均為固體邊界，按照竣工期設定上、下游靜水壓力荷載條件。心墻堆筑壩各類土體滲透及物理力學參數(shù)按照室內(nèi)土工實測取值，如砂礫石層滲透系數(shù)為10-5m/s，排水溝渠滲透系數(shù)取值為0.01m/s。

圖4 計算模型

根據(jù)本文研究對象，沿著防滲墻深度梯次變化，計算防滲結(jié)構(gòu)滲透特性以及應力分布特征，各方案中心墻壩體物理力學參數(shù)以及隱伏斷層特征均保持一致。因而，設定防滲墻深度從0～120m梯次變化，階次為20m，共有7個研究方案。在確保防滲墻深度為最優(yōu)設計合理值的前提下，對隱伏斷層影響下的防滲墻應力特征開展計算，由于斷層延伸深度不同，則彈性模量有所差異，因而以斷層彈性模量為研究因素，設定其彈性模量從10GPa逐步按照10倍遞減，分別有模量10、1、0.1、0.01、0.001GPa共5個研究方案?；谏鲜鲅芯糠桨?，探討主壩防滲墻結(jié)構(gòu)設計以及隱伏斷層等不利地質(zhì)構(gòu)造的影響。

3 不同深度處主壩防滲墻滲透與應力特性

3.1 防滲墻滲透特征

基于防滲墻不同深度下滲透特征計算，獲得主壩滲流量與防滲墻深度變化特征，如圖5(a)所示。由圖5(a)可知，防滲墻深度愈大，則水庫主壩滲流量愈低，且降低趨勢呈逐漸減小變化，在防滲墻深度為0m時，主壩滲流量為1.5m3/s，而隨防滲墻深度增大至20、60m時，相應的主壩滲流量較之前者分別減少了19.4%、93.2%，而防滲墻深度為80、100、120m時，主壩滲流量基本為0，處于較恒定狀態(tài)。由此可知，防滲墻深度超過80m以后，實質(zhì)上主壩滲流量即滿足蓄水要求。

防滲墻深度影響下水庫主壩、防滲墻結(jié)構(gòu)上滲透坡降變化特征圖如圖5(b)所示。由圖5(b)可知，當防滲墻深度遞增，主壩出逸點滲透坡降呈遞減變化，變化特征與滲流量有所類似，降低幅度在防滲墻深度80m后趨緩，滲透坡降也在此之后趨于0，但在防滲墻深度從20m遞增至60m的過程，滲透坡降平均降幅可達89.3%。相比之下，改變防滲墻深度，防滲墻自身水力坡降變化幅度較低，各方案間滲透坡降最大幅度不超過6%，維持在1.98左右。綜合滲透坡降影響變化可知，主壩滲透坡降乃是防滲墻設計尤為關(guān)注的重點[5，13]，防滲墻深度在80m左右坡降即較穩(wěn)定。

圖5 防滲墻深度對滲透特性影響

基于滲透特征計算，獲得典型防滲墻深度下壩體斷面上壓力水頭等值線分布特征，如圖6所示。由圖6可看出，在防滲墻迎水側(cè)，由于覆蓋層透水性特征，因而各水頭等值線均處于平行狀態(tài)；在壩體無防滲墻時，壩體背水側(cè)水頭值與上游基本持平，當防滲墻深度遞增，防滲墻底部壓力水頭繞過防滲墻，在下游形成恒定水頭值，而無法越過的水流在下游側(cè)壓力水頭均呈減小變化，即防滲墻在所處深度范圍內(nèi)具有較顯著抑制滲透的防滲效果。

圖6 壩體斷面壓力水頭等值線分布

3.2 防滲墻應力特征

根據(jù)對不同防滲墻深度下壩體第一、第三主應力特征分析，獲得了計算結(jié)果如圖7所示。分析圖7中應力特征可知：①防滲墻深度愈大，第一主應力隨之遞增，在深度20m時，其值為0.065MPa；而深度為40、60m時，第一主應力較之分別增長了21.1%、25.5%；在深度達到80m后，主應力趨于穩(wěn)定。②在防滲墻深度為20m時第三主應力值為18.7MPa；而深度在60、80m時分別較之減少了8.7%、20%；在防滲墻深度80m后，第三主應力處于趨緩穩(wěn)定變化特征。

圖7 防滲墻深度影響下應力特征

防滲墻深度為80、120m時第三主應力變化特征如圖8所示，第三主應力等值線分布近乎一致，且均呈壩頂至壩底遞增變化[7，14]。當主壩防滲墻深度設計為80m左右時，此時壩體應力分布亦較為安全。

圖8 第三主應力變化特征

4 斷層特征對主壩防滲墻應力變形影響

基于不同彈性模量的斷層影響下，選擇防滲墻深度80m為計算方案，獲得防滲墻結(jié)構(gòu)應力變化特征如圖9所示。由圖9中可知，當斷層彈性模量遞減，實質(zhì)上乃是斷層影響深度逐步擴展的過程[9]，在各方案中第一主應力呈小幅遞增-遞減至穩(wěn)定，且僅維持在斷層彈性模量的10～0.1GPa方案中。第一主應力最大值分別為0.04、0.052、0.06MPa；而在彈性模量0.01、0.001方案中，第一主應力處于較穩(wěn)定狀態(tài)，接近彈性模量10、1GPa方案下應力。由此表明，在斷層擴展深度逐步增大過程中，適配防滲墻深度80m時，結(jié)構(gòu)主應力特征仍維持較合理水平。

圖9 斷層特征影響下防滲墻結(jié)構(gòu)應力變化

4個典型斷層彈性模量方案下壩體標準斷面上z向位移等值線分布特征如圖10所示。從圖10中可看出，在斷層彈性模量呈量級遞減時，各方案下位移分布特征基本一致，不論斷層彈性模量為0.01GPa或為10GPa，壩體標準斷面上位移分布為5～50mm，表明斷層彈性模量對壩體z向位移值影響較弱。由位移等值線分布來看，在防滲墻底部均有較大位移集中，如斷層彈性模量10、1GPa時，當斷層彈性模量逐步減少至0.01、0.001GPa后，防滲墻上位移等值線擴散至斷層附近，即防滲墻滿可在斷層一定深度內(nèi)限制其影響。

圖10 壩體標準斷面z向位移特征

5 結(jié)語

(1)防滲墻深度愈大，主壩滲流量愈低，且在深度為80m后滲流量趨于0；主壩出逸點滲透坡降與防滲墻深度為負相關(guān)變化，在深度為80m后降幅趨緩，而防滲墻自身滲透坡降受深度影響較小，穩(wěn)定在1.98；防滲墻在深度范圍內(nèi)可有效抑制主壩滲透。

(2)隨防滲墻深度變化，結(jié)構(gòu)自身第一主應力較穩(wěn)定，第三主應力受之影響更為顯著，但也會在深度80m后趨緩恒定。

(3)斷層彈性模量遞減，第一主應力僅有小幅增長，且在模量0.01、0.001GPa后趨穩(wěn)定；在斷層彈性模量遞減過程，主壩豎向位移分布為5～50mm，且壩體位移量逐步由防滲墻底部延伸至斷層處。