丹江口土石坝砂卵石坝壳静压注浆渗控效果研究Ⅱ：三维渗流计算

张 伟，吕国梁，王金龙，肖 利

二维渗流计算对各渗透性分区计算参数进行了敏感性计算分析，给出了不利参数组合，并对心墙存在的局部尺寸不足以及心墙水平裂缝条件下的渗流状态以及静压注浆体渗控效果进行了分析，认为静压注浆体渗透系数在不大于10－4cm／s时，能够改善大坝渗流状态并使之满足渗透稳定性要求。考虑到左岸土石坝连接坝段的实际情况以及局部静压注浆，采用三维稳定渗流计算方法［1］对不同条件下土石坝渗流状态以及静压注浆体渗控效果进行了进一步的计算分析，并对心墙与基岩以及心墙与混凝土坝体接触部位的渗透稳定性进行了评价。

1 计算模型参数与计算条件

采用三维稳定渗流有限元计算方法进行计算［1］，重点分析心墙局部尺寸不足部位、心墙与混凝土接触部位以及心墙与基岩接触部位等渗透稳定性，评价现有土石坝连接坝段的渗透稳定性，对拟采用的静压注浆体的渗控效果进行分析评价。

1．1 计算模型

（1）计算模型范围。以左岸土石坝尖山为分界点，选择0＋900为起始计算断面，终点为混凝土坝与土石坝的结合断面（桩号1＋192．3），其中1＋153～1＋192．3段心墙内无塑性混凝土防渗墙。在计算模型范围内，按照间距40 m给出了相应的设计断面［2］，作为本次计算断面，计算断面布置见图1。模型的底部边界取至高程48 m处，并作为隔水边界；从坝轴线向上下游各延伸200 m作为模型的计算域，并将此模型两端边界作为隔水边界考虑；上游坝坡以及库底作为定水头边界，取上游水位174．35 m；坝体内部为浸润线，作为流量为0的边界，且水头等于其位置高程；下游坝坡作为出逸边界，下游挡墙后最低地面高程作为下游水位边界，取105．35 m。

图1 计算断面平面布置Fig．1 The layout of the computation cross－sections

（2）模型概化。各个断面渗透性分区相同，以1＋180断面为例，说明计算域内的渗透性分区（见图2）。与二维渗流计算分区相同，渗透性分区为：老坝上游坝壳料、新坝上游坝壳料、反滤料、心墙料、老坝下游坝壳料、静压注浆区、基岩。坝下游排水棱体作为充分排水体，不作为计算域的一个分区，将其上游侧作为出逸边界。计算中不考虑塑性混凝土防渗墙的作用。

图2 渗透性分区（1＋180）Fig．2 The partition of the permeability at section 1＋180

1．2 计算参数

按照二维渗流计算结果，各渗透性分区计算参数取值见表1。

表1 各渗透性分区计算参数Table 1 The calculated parameters of the partition of permeability

1．3 计算条件

模型上、下游边界均为定水头边界，上游边界对应上游水位174．35 m，下游边界对应下游水位105．35 m，模型左、右侧边以及底边为隔水边界。

2 计算结果及分析

2．1 心墙无缺陷条件下静压注浆体渗控效果分析

2．1．1 心墙无缺陷条件下的渗流计算结果及分析

方案1是考虑心墙无缺陷的情况，重点分析大坝现状条件下的渗流状态，计算结果见表2。

表2 心墙无缺陷条件下渗流计算结果（方案1）Table 2 The results of the seepage calculation under the condition of the core wall without defects（scheme 1）

从表2可以看出：下游坝壳料出逸点高程为116．7～145．9 m，均低于相应的排水棱体顶部高程，即出逸点都在排水棱体内，说明现有排水棱体设计高程满足坝体排水要求；心墙底部渗透比降变化范围为0．98～2．36，均小于原设计要求的2．5～5，说明大坝加高后仍能满足设计要求；心墙中部及狭窄处渗透比降为1．14～5．84，其中 1＋140，1＋153，1＋180断面心墙中渗透比降接近或超过5，介于原设计规定的5～10之间，安全裕度不足，说明局部心墙尺寸不足导致其承担了过高的渗透比降；下游砂卵石坝壳料承担的渗透比降为0．08～2．16，已经超过或介于表1所列的临界比降1．25～3．5，显然砂卵石内部会产生颗粒的调整。有利的一面是所有出逸点均位于排水棱体中，因此，做好排水棱体前的反滤，可以有效地保证砂卵石坝壳料的渗透稳定性。土石坝与混凝土坝接触部位渗透比降最大为1．14，小于原设计要求的2．5～5。表2还给出了每2个断面之间坝段的渗漏量，其总的渗漏量为541．1 m3／d。

2．1．2 心墙无缺陷条件下静压注浆体渗控效果分析

方案2是在方案1的基础上实施了静压注浆措施。静压注浆起始桩号为1＋100，结束桩号为1＋192．3，即与混凝土坝段连接起来，静压注浆体布置在心墙上游侧，高程158 m以下，宽度7～10 m不等。计算结果见表3。

表3 心墙无缺陷和静压注浆条件下渗流计算结果（方案2）Table 3 The results of the seepage calculation under the condition of core wall without defects and static pressure grouting（scheme 2）

从表3可以得到：下游坝壳料出逸点高程为116．0～145．8 m，均低于相应的排水棱体顶部高程，对比方案1的结果，出逸点高程降低最大幅度为0．7 m，表明静压注浆具有一定效果；心墙底部渗透比降为0．89～1．99，小于方案1的计算结果，说明静压注浆措施的实施降低了心墙底部承担的渗透比降；心墙中部渗透比降为1．00～4．86，均小于丹江口原设计规定的5～10，说明静压注浆对局部心墙尺寸不足具有较好的弥补作用，有助于改善心墙渗透比降局部偏大的现象；下游坝壳料承担的渗透比降为0．08～2．09，也超过了表 1所列的临界比降1．25～3．50，说明大坝加高后，尽管采用了静压注浆，仍然需要做好排水棱体前的反滤，来保证砂卵石坝壳料的渗透稳定性；土石坝心墙与混凝土坝接触部位最大渗透比降为1．00，与方案1相比稍有降低；方案2总的渗漏量为512．3 m3／d，与方案1相比略有降低。

2．2 心墙缺陷条件下静压注浆体渗控效果分析

2．2．1 心墙缺陷条件下的渗流计算结果及分析

方案3是在方案1的基础上，在1＋180断面附近考虑一条横向垂直裂缝，其等效渗透系数与上游坝壳料一样，垂直裂缝产生在老坝心墙内，底部与基岩相接，上部达到157 m高程。心墙缺陷条件下的三维渗流计算结果见表4。

表4 心墙缺陷条件下渗流计算结果（方案3）Table 4 The results of the seepage calculation under the condition of the core wall without defects（scheme 3）

从表4可以得到：下游坝壳料出逸点高程为118．7～145．8 m，与方案 1相比，尽管有所上升，但仍然低于相应的排水棱体顶部高程，坝下游排水棱体较好的排水作用使得下游坝壳料出逸点抬高幅度有限；心墙底部渗透比降为0．79～1．47，均小于丹江口原设计规定的2．5～5，也小于方案1的计算结果，其原因是心墙裂缝使得心墙后水位升高，心墙前后水头差减小；心墙中部渗透比降为0．78～4．59，均小于丹江口原设计规定的5～10，也小于方案1各计算断面相应渗透比降，变化规律与心墙底部渗透比降一样；下游坝壳料承担的渗透比降为0．14～2．88，与方案1相比，坝壳料承担的渗透比降大幅度增加，尤其是1＋180周围断面，可见，心墙产生裂缝后，减小了心墙的防渗作用，对下游坝壳料的渗透稳定性带来了不利影响。考虑到下游坝壳料出逸点仍然低于下游坝坡坡脚排水棱体顶高程，因此，通过在排水棱体和下游挡墙前设置合理的反滤层，仍然可以保证下游坝壳料的渗透稳定性。土石坝心墙与混凝土坝接触部位中部渗透比降为0．78，底部渗透比降0．79，均满足规范要求；表4还给出方案3总的渗漏量为1 017．3 m3／d，约为方案1的2倍。

2．2．2 心墙缺陷条件下静压注浆体渗控效果分析

方案4是在方案3的基础上，考虑在心墙上游侧一定范围实施静压注浆，注浆的范围及注浆区参数同方案2，计算结果见表5，部分断面等势线见图3、图4。

表5 心墙缺陷和静压注浆条件下三维渗流计算结果（方案4）Table 5 The results of the seepage calculation under the condition of the core wall with defects and static pressure grouting（scheme 4）

图3 1＋100断面水位等势线分布（单位：m）Fig．3 The water level equipotential lines at the section 1＋100

图4 1＋180断面水位等势线分布（单位：m）Fig．4 The water level equipotential lines at the section 1＋180

从表5和图3、图4分析可知，下游坝壳料出逸点高程为116．8～145．8 m，与方案3相比，有所降低，但幅度有限，出逸点高程低于相应的排水棱体顶部高程；心墙底部渗透比降为1．01～1．98，均小于丹江口原设计规定的2．5～5，与方案3相比，由于静压注浆首先对心墙裂缝具有明显的封堵作用，使得1＋180的临近断面心墙后水位显著降低，而心墙底部承担的渗透比降反而增加，其他坝段变化不大；心墙中部渗透比降为1．00～4．60，均小于丹江口原设计规定的5～10，其变化规律与心墙底部渗透比降一样；下游坝壳料承担的渗透比降为0．11～2．37，与方案3相比，坝壳料承担的渗透比降明显减少，尤其是1＋180断面，渗透比降减少近40%，可见，静压注浆对降低下游坝壳料承担的渗透比降具有较好的作用；土石坝心墙与混凝土坝接触部位中部渗透比降为1．00，底部渗透比降为1．05，均满足丹江口原设计对渗透比降的要求；方案4总的渗漏量为635．9 m3／d，与方案3相比，显著减少。

3 结 论

（1）心墙无缺陷条件下，由于心墙尺寸变化较大，1＋180，1＋140，1＋153这3个断面心墙承担的渗透比降接近和介于5～10之间，与丹江口原设计要求的临界值接近。采用静压注浆后，这些断面心墙承担的渗透比降均小于5，满足丹江口原设计要求，静压注浆在某种程度上弥补了局部心墙尺寸不足的问题。

（2）心墙出现裂缝，造成下游坝壳料局部水位大幅升高，不利于下游坝壳料的渗透稳定性。静压注浆体能够在很大程度上抑制心墙裂缝的影响，显著降低下游坝壳料内局部自由面，减少裂缝渗漏量。因此，静压注浆的实施能够有效改善大坝的渗流状态。

（3）无论静压注浆与否，下游砂卵石坝壳料局部承担的渗透比降均较大，很可能会引起砂卵石的渗透变形，好在砂卵石坝壳料出逸点均位于排水棱体和下游挡墙中，只要在排水棱体和下游挡墙前做好反滤层，对砂卵石起到排水保土作用，砂卵石渗流出口不破坏，就能保证下游坝壳料的渗透稳定性。

建议在大坝加高时做好排水棱体和下游挡墙前反滤层，保证砂卵石坝壳料的渗透稳定性。

［1］ 张家发．裂隙岩体渗流参数讨论和渗流场有限元计算与分析［J］．长江科学院院报，1990（2）：56－64．

［2］ 王从兵，陈志康，王 莉，等．丹江口水利枢纽大坝加高工程初步设计报告修订本（中册）［R］．武汉：长江勘测规划设计研究院，2004．