高混凝土面堆石坝周边缝止水失效渗流性态仿真分析

颜 猛，陈守开，张政男

(1. 河南水利第一工程局，郑州 450045；2. 华北水利水电大学水利学院，郑州 450046；3. 河南省水环境模拟与治理重点实验室，郑州 450045)

0 引 言

面板坝自20世纪70年代发展至今短短几十年[1]，因其具有抗震性能好、坝坡稳定以及安全、经济等特点[2,3]而得到快速发展。近年来，随着大型施工设备以及薄层碾压、挤压边墙等技术的应用[4-6]，面板坝已发展成为当今水利水电工程建设的主流坝型之一。与常规土石坝一样，渗流也是面板坝工程在全寿命周期重点关注的问题[7-9]。据悉，我国现已建成并投入运行的超百米面板坝中，有近1/8存在渗漏问题，且最大渗流量达3 000 L/s[10]。周边缝作为面板坝防渗体系中的薄弱环节，受如止水材料、水流流速以及坝体基础沉降产生的应力等多重因素影响，同时其也是面板坝中的关键环节，直接影响到水库的经济效益，严重时可能会威胁面板坝的正常运行以及下游人民的生命财产安全[11]，由于周边缝渗漏甚至是失效导致面板坝发生变形并失事的报道也常有发生[12-14]，如：沟后面板砂砾石坝、株树桥水库大坝、巴西坎泼斯诺沃斯面板堆石坝等。为此，国内有关学者针对面板坝渗流问题展开了相关研究，潘少华等[15]通过模拟面板坝止水结构的周边缝，研究基于Signorini型变分不等式并通过建立SVA渗流算法定位其渗流出流点的位置；熊璐等[16]分析了面板坝周边缝失效的规律特征，并对其渗透稳定进行了评价；李炎隆等[17]基于邓肯-张的E-B模型研究在接缝止水失效情况下面板坝的应力和变形。此外，谭界雄、周晓明、望燕慧等[18-20]相继开展了面板坝的渗漏技术研究。本文借助有限元技术，以某枢纽工程高混凝土面板砂砾石坝为对象，通过有限元建模与数值仿真分析，研究大坝正常运行下周边缝止水失效时的渗流特征并提出建议，为类似工程渗流设计与施工提供参考。

1 仿真计算理论

1.1 渗流场计算模型

根据水流连续性条件和广义达西定律，三维空间各向异性等效连续概化介质的稳定饱和渗流数学模型为[3,6-8]：

(1)

边界条件见图1。对此渗流问题，节点虚流量法的有限元基本迭代格式如下[6]：

([K]-[K2]){h}={Q}-{Q2}

(2)

式中：[K]、[K2]为计算域全域及虚域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。

图1 无压稳定渗流数学模型Fig.1 Mathematical model of seepage flow without pressure steady

1.2 节点虚流量法的改进

式(2)中的[K2]虚域贡献包含纯虚单元和过渡单元中的虚区两部分，其中前者容易求解，后者被自由面截成两部分，较难求解。为了能够准确模拟过渡区单元，引入压力水头的罚函数Fu(hc)对节点虚流量法进行改进，其计算公式如下[9]：

Fu(hc)=

(3)

其中：

(4)

式中：u1、u2表示压力水头的罚参数(图2)。

图2 单元罚参数计算示意Fig.2 schematic calculation of unit penalty parameters

过渡单元虚区贡献的等参单元传导矩阵[k]ε：

(5)

式中：ng为每一坐标向高斯点个数；Wi,Wj,Wm分别为每向坐标的权重值；F(ξi,ηj,ζm)为被积函数；(ξi,ηj,ζm)为高斯点坐标。

上式对过渡区单元中的虚区部分能实现精细的模拟，使计算结果能够取得较好的精度。

1.3 无厚度缝单元

研究表明，缝面法向水头损失非常小[20-22]。假设裂缝中的水流为准二维的渗流,以无厚度的裂缝单元模拟周边缝止水失效，裂缝中的渗流满足：

(6)

则裂缝平面单元e的传导矩阵计算式为：

(7)

式中：sf为裂缝单元域；Ni和Nj为裂缝缝面单元插值函数；m为缝面单元的结点数。

依据上述求得的传导矩阵并结合式(2)进行组装。

2 三维有限元模型构建与分析

2.1 有限元建模

某面板堆石坝坝高247 m，其防渗设计采用传统布置，防渗体系分为上部(防浪墙、面板、高趾墙、趾板及接缝止水)和下部(固结灌浆及帷幕灌浆)，其中接缝止水的止水措施采用3道止水的传统结构形式，包括底部铜止水、中部橡胶止水带、表层柔性填料的止水结构，并设置PVC遮盖板，用于保护表层柔性填料。坝基岩层有覆盖层、相对不透水层、弱透水层、中等透水层等，岩体渗透性强且不均匀。

为确保仿真计算的精度，充分模拟周边缝止水失效对工程渗流的影响，有限元建模对防渗体系采用精细网格处理，而对于坝体堆石区实施简易剖分，整个计算域总体形成疏密有致的三维渗流场有限元计算网格模型(图3)。模型上下游边界自坝轴线向上、下游800 m，左岸边界自左坝头向左500 m，右岸边界自右坝头向右350 m，基础边界底高程1 062.5 m，顶部为坝顶高程。

2.2 计算条件

计算水位假定为正常蓄水条件，即上游正常蓄水位1 700 m，下游尾水位1 484.77 m。坝体材料主要分区分别为铺盖料、压重料、垫层料、特殊垫层料、反滤料、砂砾石和下游堆石区以及排水区(表1)。为便于比较，仿真计算分别计算正常运行和周边缝止水失效2种情形，其中为了分析周边缝止水损坏对渗

图3 坝区渗流场三维网格计算模型Fig.3 Three-dimensional grid computing model of seepage field in dam area

表1 面板堆石坝坝区各料区渗透系数Tab.1 Permeability coefficient of each material area in the face rockfill dam area

流场的影响，设置了止水失效影响分析工况，假定周边缝止水损坏，无厚度缝单元模拟，渗透系数取1×10-1cm/s。

2.3 计算结果分析

2.3.1 基本运行情况

图4、图5为正常蓄水位下渗流场的水头分布。由图4可知，水库大坝坝基及两岸渗流场具有明显的三维渗流特征。大坝蓄水后，库水通过坝基以及两岸的透水带进行渗流作用，因此，应采用帷幕灌浆防渗方案。

坝基河床透水性强，易形成渗流通道，应注重考虑并加强防渗措施。在正常运行状态下，河床采用高趾墙及帷幕联合防渗，底部延伸至3lu线以下，截渗效果较好。计算结果显示，将主要防渗措施(包括面板、趾板、高趾墙以及帷幕灌浆)形成整体可以更有效的体现渗流作用：①渗透坡降方面。考虑到各分区分界面渗透坡降的不连续性，坝体混凝土面板、趾板、高趾墙、防渗帷幕以及反滤料承受的最大渗透坡降分别为169.68、162.36、5.94、10.16以及0.08，均小于各分区的允许渗透坡降，满足要求，并有效地拦截库水的下渗；②水头分布。正常蓄水位下，整个等水头分布都很好的体现出面板砂砾石坝各渗控要素的效果；③坝区渗流量方面。通过坝区渗流量得到较好的控制，总渗流量70.32 L/s。

图4 正常运行坝区平面水头等值线分布(单位：m)Fig.4 The contour distribution of horizontal head in dam area under normal operation

图5 正常蓄水位下标准剖面水头等值线分布(单位：m)Fig.5 The contour distribution of head in standard section under normal water storage level

2.3.2 止水失效影响分析

图6、图7为正常蓄水位下渗流场的水头分布。在水库蓄水后随坝体变形，此时周边缝将产生复杂的三向位移，周边缝的止水结构极易被拉开，成为混凝土面板坝最可能漏水的通道；随着变形趋势的增大以及水压作用影响，周边缝开始产生渗流并出现应力明显集中的现象，止水结构发生破坏并失效。因周边缝止水失效，坝体中防渗体(面板、帷幕等)未形成封闭系统，库水通过周边缝渗向下游，抬升了坝体内的渗透水流，使得整个防渗系统的作用都大大降低，坝体内水位比正常蓄水位抬升了7.5 m，通过坝区总体渗流量达到177.72 L/s，比正常蓄水位增加了107.6 L/s，库水渗流问题严重。渗透坡降方面，受影响最大的为特殊垫层区，渗透坡降达到10.89，远超过了允许值，极易产生渗透破坏，对坝体的长期安全运行不利。周边缝失效时的渗漏量对特殊垫层区渗透系数的增加非常敏感的原因是其所承受的压力水头较大[16]。

图6 止水失效时坝区平面水头等值线分布(单位：m)Fig.6 The contour distribution of the horizontal head in the dam area when the water stop failure

图7 止水失效时典型剖面水头等值线分布(单位：m)Fig.7 The typical section head contour distribution when water stop failure

表2 不同工况下各分区渗流量贡献Tab. 2 Contribution of seepage flow in each zone under different working conditions

表3 不同工况下各分区的最大渗透坡降Tab.3 The maximum infiltration slope of each zone under different working conditions

由此可见，在整个面板砂砾石坝防渗系统中，周边缝止水的有效性对整个坝体的安全起着至关重要的作用。因此，在施工过程中应重视周边缝止水的施工质量，并根据坝高实际情况确定止水结构，必要时可采用多道止水，同时在面板坝正常运行过程中，应注重周边缝的检查与监测，本工程采用的主要监测手段为：表面变形监测主要采用位移标点进行监测，内部主要采用垂直水平位移计进行监测，渗流监测主要采用渗压计、水位监测孔和量水堰。在周边缝止水结构失效的情况下，应及时采用设置面板防护涂层以及止水板(橡胶板、沥青纤维板与软木板等)等修补方式进行修复[23]，以保证整个渗控系统的安全有效。

3 结 语

本文对高面板砂砾石坝进行三维渗流模拟计算，分析了正常运行工况的渗流特征，并与止水失效工况相比对，得出如下结论。

(1)针对较难求解的过渡区单元虚区部分，考虑引入压力水头的罚函数对节点虚流量法进行改进，改进结果拥有较高的精度，有助于实现过渡区单元的精细模拟。

(2)采用三维有限元模型的精细网格处理的方法对面板坝的防渗体系进行划分，以无厚度缝单元模拟面板坝的周边缝止水失效，模拟结果显示周边缝止水对坝体水位、渗漏量及渗透坡降均具有影响显著，同时坝体的渗漏量由70.32增至177.72 L/s，特殊垫层最大渗透坡降由0.35增至10.89，严重影响大坝的安全运行。

(3)周边缝止水对面板坝的安全至关重要，在施工中应注意对接缝处的施工质量严格要求，并根据工程的具体情况采取不同的止水结构，确保面板坝防渗系统的有效安全运行。

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