采用挤压边墙进行大坝临时挡水的可行性分析

李小良

（泾阳县水利局 陕西 泾阳 713700）

挤压边墙相对于传统的上游坝坡施工方法，具有工序少、干扰小、施工速度快、利于防护度汛等特点[1-2]。其采用机械设备在垫层上挤压形成一道混凝土边墙，避免了传统的繁琐工序，不但可以保证工程质量，而且可以改善面板的受力状态[3]。为了实现尽早发电的目标，某工程一期面板高程定为770 m，2010年12月蓄水时，面板施工至770 m，蓄水高程达到795 m发电水位，770m以上采用挤压边墙挡水。由于挤压边墙材料不同于一般的混凝土材料，其渗透性较强，因此挤压边墙可否用于临时或短期挡水需要计算分析。本文结合实际的工程资料，采用有限元方法[4,5]，建立三维渗流有限元分析模型，从渗流量和水力坡降等渗流要素分析和评价挤压边墙用于临时挡水的可行性，并提出优选方案。

1 工程概况

某工程的主要任务是发电。枢纽建筑物主要由混凝土面板堆石坝、溢洪洞、泄洪排沙洞、引水发电洞及岸边厂房等组成。电站正常蓄水位800 m，死水位795 m，汛期临时排沙水位795 m，总装机容量240MW（3×80MW），保证出力43MW，设计年发电量9.24亿kW·h，装机年利用小时3850 h，水库正常蓄水位库容2.68亿m3。工程规模属二等大（2）型。主要建筑物挡水坝级别为1级，其他主要建筑物级别为2级，次要建筑物级别为3级。为了实现尽早发电的目标，工程一期面板高程定为770 m，2010年12月 蓄水时 ，面板 施 工 至770 m，蓄水高程达到795 m发电水位，770m以上采用挤压墙挡水。

2 挤压墙挡水的可行性分析

2.1 计算模型

为了分析挤压边墙的挡水情况，渗流稳定数值分析的计算模型包含地基、山岩、坝基覆盖层、过渡层、坝体、挤压墙、面板、垫层、防渗墙。模型选取范围为：计算模型沿坝踵向上游及坝址向下游分别取120 m，两岸坝肩向左右岸分别延伸30 m，河床覆盖层总共取42 m，过渡层取4 m厚，岩取100m，3m宽垫层，1.5m宽面板和挤压墙，1.2 m×42m防渗墙。计算模型坐标系定义如下：从上游指向下游为y轴正方向，由下向上为z轴正方向，从左岸到右岸为x轴正方向。整体模型x、y、z尺寸为408.2m×559.75 m×243m。有限元计算的网格如图1所示，计算模型共剖分120410个节点，116517个单元。模型坝基底面、上下游侧面及左右岸侧面按不透水边界考虑。上游库水位以下地表边界及上游坝面施加正常蓄水位。下游水位以下地表边界及下游坝面施加下游水位。

图1 计算模型

表1 模型计算参数

图2 两种计算方案下大坝最大剖面水头等值线（单位：m）

2.2 计算参数和方案

根据工程实际的试验结果以及类比其它工程资料，渗流计算各分区材料渗透系数取值见表1。本文应用上述模型进行大坝防渗体系为防渗墙+面板+挤压墙（方案一）和防渗墙+面板+挤压墙+土工膜（方案二）两种方案的计算。

2.3 结果分析

运用所建立的数值模型，进行两种方案下的渗流计算，并提取水头等值线、渗流量以及水力坡降等水力要素进行对比分析。两种计算方案下大坝最大剖面水头等值线如图2所示，运用数值计算模型计算得出大坝两种渗流计算方案下通过各区的渗流量如表2所示，几个典型断面特殊部位的水力坡降比较如表3所示。

表2 各区渗流量

表3 各断面的下游坡脚水力坡降值

由图2结果可知，当只采用挤压边墙进行临时挡水时，坝体浸润线较高，在挤压边墙周边坝体部位水头线分布密集，水力坡降较大，同时坝基所承受的水头相对较大；当挤压边墙联合土工膜进行防渗时，由于土工膜渗透系数较小，防渗效果较为明显。因此坝体浸润线明显减低，坝体部位也不存在较大的水力坡降，同时坝基水头线分布较为密集，基本上都被防渗墙所消杀，说明防渗墙+面板+挤压边墙+土工膜这种临时挡水方案相对于只采用挤压边墙的方案能取得较好的防渗效果，挤压边墙渗透性强，对水头线消杀不明显，不宜用作临时挡水。

大坝采用挤压墙挡水这种情况下，通过坝体的总渗漏量很大，达到1.01×10-3m3/s，而通过挤压墙的渗漏量9.83×10-4m3/s，占通过坝体总渗水量的97.3%。由于挤压边墙的强透水性，大部分水流通过挤压边墙渗入坝体，挤压边墙并没有取到控制渗流的作用。在挤压边墙防渗情况下通过面板、覆盖层以及防渗墙的渗流量均较小，说明面板和防渗墙可以取得较好的渗流控制作用。在挤压墙上铺设一层透水性小于挤压墙的土工材料，采用土工材料挡水这种情况下，通过坝体的总渗漏量很小，仅有1.32×10-4m3/s，只占前者方案的13.1%，其主要原因是通过高程土工材料的渗流量减少为1.04×10-4m3/s，只有前者通过挤压墙渗流量的10.6%。采用土工膜结合挤压边墙可以很好地控制渗流量，使通过坝体的渗流量大大较小。说明土工膜结合挤压边墙进行临时或短期挡水是可行的。方案二情况下，通过面板、覆盖层以及防渗墙的渗流量和方案一结果较为接近，防渗墙和面板均能取得显著的防渗效果。

只采用挤压边墙进行防渗情况下，三个典型剖面下游坡脚水力坡降值都大于允许水力坡降值0.1。最大值发生在x=325 m断面偏向左岸位置，其值达0.1523远远大于允许水力坡降，不利于坝体和坝坡的稳定。同时只采用挤压边墙防渗时，挤压边墙以及和挤压边墙和坝体的接触部位水位线密集，该部位水力坡降较大，对坝体的稳定产生一定影响，因此，不能仅仅依靠挤压墙进行临时挡水。在调整方案下即采用土工膜和挤压边墙结合进行防渗方案下各断面下游坡脚水力坡降值都小于允许水力坡降值0.1，最大值只有0.0997，低于允许水力坡降，下游坡脚安全。由于土工膜的弱透水性以及其较好的防渗效果有效地降低了坝坡以及坝体的水力坡降值，这从水力坡降的角度进一步说明，挤压墙联合土工材料在施工期可以用于临时或短期挡水。

3 结语

本文通过实际资料建立覆盖层上某面板堆石坝三维渗流分析数值模型，分析施工期采用挤压边墙进行临时挡水的可行性，结合工程实际提出土工膜结合挤压边墙进行临时挡水的优选方案，对比分析表明，只采用挤压边墙进行临时挡水提前发电时，由于挤压边墙渗透性强，通过边墙的渗流量较大，不能有效控制渗流，在坝体和下游坡脚部位产生较大水力坡降不利坝体稳定。当挤压边墙联合土工材料进行挡水时，通过各部位的渗流量和各特殊部位的水力坡降明显减小，同时坝体浸润线以及下游坡脚的水力坡降也在允许范围之内，说明在施工期可以用于临时或短期挡水。在面板堆石坝实际施工中，为使工程提前投入运行，实现尽早发电的目标，土工膜结合挤压边墙可以用于临时或短期挡水。