深冲积层上高面板堆石坝运行期渗流特性仿真研究

陈守开，常承艳，郭 磊，薛志龙

(1.华北水利水电大学水利学院，河南郑州450045；2.河南省水环境治理与生态修复院士工作站，河南郑州450002；3.河南省水环境模拟与治理重点实验室，河南郑州450002)

0 引 言

早期的面板堆石坝受机械设备与技术条件的限制，通常采用抛填堆石、木面板防渗，坝高一般不高。经过150余年的发展，现代面板堆石坝基本采用碾压堆石、钢筋混凝土面板防渗[1]。现今，随着大型施工设备以及薄层碾压、挤压边墙等技术的应用，加之丰富的设计与施工经验，混凝土面板堆石坝的应用越加广泛，已经成为当今水利水电工程建设的主要坝型之一，特别是我国高233 m的水布垭大坝的建成和投入运行，在面板堆石坝历史中具有里程碑的意义[2]。

混凝土面板堆石坝是水电站最重要的挡水建筑物，要保证其挡水时的力学稳定性，控制坝体、坝基的渗流问题，即减少渗漏量和保证渗透稳定等至关重要[3]。国内外由于渗流问题引起的面板堆石坝失事的常有发生[4]，如青海沟后水库大坝因坝体渗控体系不完善引起溃决，湖南株树桥大坝因渗漏问题而无法正常运行[5]，巴西坎泼斯诺沃斯面板坝建成因面板局部破坏而影响正常蓄水[6]等。因此，渗流控制不仅是设计的重要内容，其防渗体系的合理性也是高面板堆石坝工程研究的主要方向，本文依据改进节点虚流量法，对修建于深冲积层上的某高面板堆石坝进行三维渗流场仿真研究，对该坝坝区三维渗流形态、坝肩绕身以及渗控措施进行分析和评价，以指导类似工程防渗体系的设计和施工。

图2 坝体最大剖面示意(单位：m)

1 计算理论与方法

根据广义达西定律和水流的连续性条件，非均质各向异性多孔介质的稳定饱和渗流问题的控制方程为

(1)

边界条件如图1所示[7]。对此渗流问题，文献[8]中提出了节点虚流量法，其有限元基本迭代格式为

[K]{h}={Q}-{Q2}+{ΔQ} (令{ΔQ}=[K2]{h})

(2)

图1 无压稳定渗流数学模型

式中，[K]、[K2]分别为引入边界条件后的计算域全域及虚域分别贡献的整体渗透矩阵；{h}为未知节点的水头列阵；{Q}、{Q2}分别为已知水头节点、内部源汇项和流量边界对计算域的全域、虚域贡献的流量列阵。

式(2)的求解关键在于虚域贡献的整体渗透矩阵，因此为提高计算精度，采用改进后的节点虚流量法，详见文献[7，9]。

2 高面板堆石坝三维渗流仿真及分析

2.1 工程概况

某面板堆石坝最大坝高147.5 m，大坝最大剖面如图2所示。大坝地基岩层有坝基冲积层、全风化基岩、强风化基岩、弱上(>5 lu线)、弱下(3～5 lu线)、弱下(3 lu线以下)和新鲜岩石，岩体渗透性较强且不均匀，最大冲积层厚度约32 m。大坝防渗体系由防浪墙、面板、趾板及接缝止水，以及混凝土防渗墙及灌浆帷幕等组成的封闭系统。该水库所处地形轮廓变化复杂，上下游皆为河道转弯处等渗流分布复杂区域，且大坝坐落在深厚冲积层上，渗透性强，为严格保证大坝防渗体系的安全、有效，其坝区应作三维渗流分析。

表1 坝区各材料渗透系数取值 cm/s

2.2 计算条件

依据本工程面板堆石坝结构特点及施工特点，网格剖分时在渗流要素变化幅度较大的渗控措施及其周边区域加密处理，在常处于无水或渗流要素变幅小的坝体堆石体内简单剖分，从而形成总体疏密有致的、质量高的三维渗流场有限元计算网格。本次计算模型主要由六面体八结点等参元构成，共有个83 632单元和89 436个结点。

三维计算模型整体疏密有致，以提高计算精度和效率。其中基础部分，严格按3 Lu线以下、3～5 Lu线、5 Lu线以上、强风化岩层、全风化岩层以及坝基冲积层等分层情况进行细致模拟。两岸范围考虑天然地下水的作用，至分水岭处，左岸边界为最大断面以左660 m，右岸边界为最大断面以右470 m，基础边界为400.00 m标高。

计算在正常蓄水位(上游水位675 m，下游水位552.97 m)条件下，考虑大坝完整的防渗体系，所采取的各种材料的渗透系数参照水文地质资料和参考值，详见表1。

2.3 结果分析与评价

仿真计算结果如图3～5和表2所示，其中图3为坝区平面水头分布，图4为大坝关键部位渗漏量，图5为大坝最大剖面水头和渗透梯度等值线。

图3 坝区平面水头分布(单位：m)

图4 大坝关键部位渗漏量

图5 坝体最大剖面水头和渗透梯度等值线(单位：m)

2.3.1 坝区三维渗流性态分析

由图3～5可知，水库坝区三维渗流性态显著，坝区水头整体由上游到下游逐渐降低，其分布规律合理，同时水头等值线走势及密集程度也都能反映出不同区域的渗透特征，包括坝体与坝基渗流、两岸坝肩绕渗等现象。

本工程防渗系统能够形成有效整体，上部的面板、趾板与下部的防渗墙、帷幕能够有效的阻断坝体上部渗流，特别是针对基础(冲积层)渗漏和坝肩绕渗，设计采用的帷幕灌浆防渗方案是合适的。

2.3.2 坝区渗流场分析

水头分布方面，整个等水头分布都很好的体现出面板堆石坝各渗流控制要素的效果，以及堆石体的渗流过程。

坝区渗流量方面，通过坝区的总渗流量为141.78 L/s(图4)，属于正常可控范围。但由于本工程坝基河床冲积层较深，坝基成为主要渗漏通道，这是防渗措施要解决的主要问题。在正常运行状态下，河床底部采用混凝土防渗墙截断河床冲积层，并在防渗墙底部设置防渗帷幕并延伸至3 Lu线以下，可以起到很好的截渗效果。

渗透坡降方面，表2为坝体关键部位渗透坡降，均满足设计要求。坝基冲积层内渗透坡降以最大断面处最大为0.66，小于其允许值0.75。因此坝基冲积层渗流是稳定的。

表2 坝体关键部位渗透坡降

3 结 论

(1)本文采用改进节点虚流量法，对某深冲积层上高面板堆石坝工程进行了三维有限元的仿真计算与分析，结果符合坝区三维渗流场的基本特点和一般规律。

(2)在正常蓄水位的运行条件下，由高面板堆石坝的混凝土面板、趾板与深冲积层坝基防渗墙及防渗帷幕组成的空间封闭防渗体系，其防渗效果明显。

(3)在本实例中，由于坝基位于深冲积层上且两岸坝肩地质条件复杂，大坝总渗漏主要发生在坝基和两岸坝肩，因此施工时应确保防渗墙及防渗帷幕的有效性。此外，本工程3～5 Lu线之间岩体渗透性与帷幕极为相近，相对不透水性较小，帷幕深入此处防渗作用已不明显，后续可通过优化分析，考虑设置较浅的灌浆帷幕。

参考文献：

[1] 郦能惠. 高混凝土面板堆石坝新技术[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2007．

[2] 张家发, 定培中, 张伟, 等. 混凝土面板堆石坝中过渡区的渗流控制作用研究[J]. 岩土力学, 2011, 32(12): 3548- 3554．

[3] 杨启贵, 张家发, 熊泽斌, 等. 水布垭混凝土面板堆石坝的渗流控制体系[J]. 水力发电学报, 2010, 29(3): 164 -169．

[4] 刘杰, 丁留谦, 缪良娟, 等. 沟后面板砂砾石坝溃坝机理及经验教训[J]. 水利水电技术, 1998(3): 4- 9．

[5] 盛金保, 谢晓华, 李雷.株树桥水库大坝严重渗漏原因分析[J]. 水利水运工程学报, 2003(4): 25- 30．

[6] 徐泽平. 巴西坎泼斯诺沃斯面板堆石坝的经验和教训[J]. 中国水利水电科学研究院学报, 2007(3): 233- 240．

[7] 陈守开, 严 俊, 李健铭. 面板堆石坝垂直缝破坏下三维渗流场有限元模拟[J]. 岩土力学, 2011, 32(11): 3473- 3478．

[8] 速宝玉, 朱岳明. 不变网格确定渗流自由面的结点虚流量法[J]. 河海大学学报, 1991(5)： 113- 117．

[9] 陈守开, 刘尚蔚, 郭利霞, 等. 中、 小型土石坝渗流场三维有限元分析方法及应用[J]. 应用基础与工程科学学报, 2012, 24(4): 612- 621．