新疆阜康抽水蓄能电站拦沙坝防渗墙深度优化及其防渗效果研究

崔博涛，刘小伟，邓良超，胡小凡

(1.新疆阜康抽水蓄能有限公司，新疆 乌鲁木齐 830011；2.新疆哈密抽水蓄能有限公司，新疆 哈密 839001)

1 引言

增强土石坝坝体防渗能力是土石坝设计的重要技术参数，目前较为通用的技术措施是通过延长渗径或截阻水流来实现。衡量坝体防渗能力的主要技术参数为渗透坡降、浸润面高度等。为保障坝体的防渗能力，在坝体施工过程中加入灌浆、防渗墙或土工合成材料防渗等施工工艺。不同地基条件，各种防渗形式的效果相差较大，例如深厚覆盖层地基，最优的垂直防渗形式是在坝体中增设混凝土防渗墙。目前国内使用混凝土防渗墙来增强防渗能力极为普遍，自1958年至今已有70多座大坝采用混凝土防渗墙形式防渗，成墙面积多达40多万m2[1]，技术手段及施工工艺达到国际先进水平，防渗效果较为突出，广泛应用于国内外各种深厚覆盖层地基环境的大坝工程中。

随着科学技术发展，学者们借助实验或数值模拟的方式对混凝土防渗墙防渗效果进行了大量的分析研究，陈慧远等利用槽内实验[2]，通过有限元法计算渗流量，来判断防渗墙的防渗能力。谢新华等搭建渗流模型平台，通过数值模拟分析研究确定最优防渗墙深度[3]，研究结果得出：对于深厚覆盖层，地基防渗墙深与墙厚之比约在0.65～0.7范围内防渗效果最佳。李建华等选取的研究对象为无限深透水地基条件的土石坝[4]，根据边界元计算原理建立坝基垂直防渗体渗流计算模型，充分利用其渗流场复杂、多变的几何形状和边界条件等特点，分析研究得出近似的渗流量。上述的分析研究过程中，均未能考虑工程地质条件的复杂性，模型计算参数未能与工程实际相结合，防渗墙渗流量计算结果与工程实测误差较大。鉴此，本文参考阜康抽水蓄能电站工程实际，选取土石坝工程防渗墙深度作为主要参数，采用三维有限元法计算分析防渗墙深度对渗流计算结果的影响，分析其参数敏感性，进而优化防渗墙深度。

2 工程概况及材料参数

2.1 工程概况

2.2 材料参数

坝基岩体各层渗透参数见表1，坝体各料区渗透参数见表2。

表1 坝基岩体各分层渗透系数

表2 坝体各料区渗透系数

3 计算方法

3.1 建立模型

(1)建立模型坐标系和控制范围

借用三维非稳定饱和-非饱和渗流有限元计算分析程序CNPM3D对计算模型进行三维有限元非稳定渗流分析。根据实际控制坐标建立计算坐标系如下：模型坐标原点选在2-2剖面(Y=122)与拦沙坝坝轴线的交点处；沿河流方向取为X轴，垂直于坝轴线方向，以上游指向下游为正方向；沿坝轴线方向为Y轴，以右岸指向左岸为正方向；Z轴为垂直方向，向上为正，与高程一致。

根据渗流分析的一般原则确定计算模型的范围和边界。上、下游边界：坝轴线以上400 m为上游边界，坝轴线以下300 m为下游边界；左、右岸边界：左边界截取至左坝肩以左150 m，右边界截取至右坝肩以右200 m；顶高程取实际地形，底高程截至1665 m。模型截取范围见图1。

图1 计算模型截取范围及剖面位置示意图

(2)生成计算模型网格

本次计算网格划分采用“控制断面超单元有限元网格自动剖分法”进行[5]，生成有限元计算信息。主要流程是：对影响因素较高的区域建立少量的典型控制断面，对该区域的地质结构和建筑结构进行细致分析，通过这些控制断面构成超单元，用自编网格自动剖分程序对超单元进行细剖，从而最终生成有限元网格。三维有限元模型网格见图2，防渗墙有限元网格见图3。

图2 三维有限元网格图

图3 防渗墙有限元网格

(3)边界条件

在稳定渗流期，渗流分析的边界类型主要有已知水头边界、出渗边界及不透水边界三种[6-7]：

由于大体积混凝土自身重量大，施工规模大，产生的应力也较大，所以，为了能够足以支撑大体积混凝土的重量，需要确保板底支撑结构的稳定性并进行相应的简算以确保安全。根据现场施工管理经验，对于承重结构稳定性及沉降应编制专项方案并进行专项设计和检算。如果没有进行专项设计和检算，由于板体不均匀沉降，会使大体积混凝土应力无法释放，造成之后的混凝土会不断产生裂纹。另外，这些裂纹会出现在混凝土终凝之前，此时的力度也不够足以产生抵抗力。

1)已知水头边界包括坝址区上下游水位线以下的水库库岸和库底、坝体上游坡和下游坡、河道，以及给定地下水位的截取边界；

2)出渗边界为坝址区上下游水位线以上的左、右岸山坡面，以及坝体上、下游坡面和坝顶；

3)不透水边界包括模型上下游两侧和左右岸两侧截取边界除给定地下水位以外的部分边界以及模型底面。

3.2 防渗效果分析

根据阜康抽水蓄能电站下水库工程的实际情况，采取校核洪水位下形成稳定渗流情况进行计算，校核洪水位为1812.5 m，下游水位为下水库死水位1743 m。对现有垂直防渗墙深度方案开展敏感性分析，分析防渗墙深度对坝体、坝基渗流场的影响，提出合理的优化布置方案。具体布置方案见表3，结果见图4～图7。

表3 防渗墙方案三维稳定渗流敏感性分析

图4 防渗墙底高程1745 m拦沙坝中央剖面位势图

图5 防渗墙底高程1755 m拦沙坝中央剖面位势图

图6 防渗墙底高程1765 m拦沙坝中央剖面位势图

图7 防渗墙底高程1775 m拦沙坝中央剖面位势图

3.3 计算结果分析

3.3.1 坝址区渗流场

各工况下混凝土防渗墙削减水头百分率见表4，这里削减水头百分率按下式计算：

表4 各工况下混凝土防渗墙削减水头百分率

削减水头百分率=H上防渗墙-H下防渗墙/(H上-H下)×100%

式中：H上和H下和分别为拦沙坝所对应工况下的上下游水位，H上防渗墙和H下防渗墙分别为防渗墙前后坝体内浸润线最高位置。

由图4～图7坝体剖面地下水位势分布图可见，浸润面在混凝土防渗墙上下游形成了突降。表4给出了拦沙坝中央混凝土防渗墙坝体内上下端浸润面的位置。由表4可知，在防渗墙底高程为1745 m(工况FSQ-1)的工况下，消减的水头为31.28 m，占总水头的48.55%，可见混凝土防渗墙的防渗效果还是比较明显的；防渗墙深度分别减少10 m(工况FSQ-2)、减少20 m(工况FSQ-3)以及减少30 m(工况FSQ-4)的工况下，削减的水头分别为18.96 m、14.03 m、9.38 m，分别占总水头的27.28%、20.19%、13.50%。

3.3.2 坝体和坝基的渗透坡降

拦沙坝中央坝体和坝基各料区的最大渗透坡降见表5。

表5 中央坝体和坝基各料区的最大渗透坡降

由表5和拦沙坝中央横剖面的位势图可见，在各种工况下，混凝土防渗墙的渗透坡降最大，坝基各料区的渗透坡降较小，由于浸润面低于拦沙坝建基面，因此坝体处于非饱和状态，坝体内各材料分区满足渗透稳定要求。

由表5可知，在防渗墙深度分别减少10 m(FSQ-2)、减少20 m(工况FSQ-3)以及减少30 m(工况FSQ-4)的工况下，混凝土防渗墙的渗透坡降越来越小，坝坡出逸处的渗透坡降越来越大，当防渗墙深度减少30 m(即底高程1775 m)时，坝坡出逸处的坡降为0.264，已经大于允许渗透坡降0.2，此时坝坡发生渗透破坏。

4 结论与建议

(1)防渗墙深度减少10 m以及减少20 m对总渗透流量影响不大；防渗墙深度减少30 m时，坝体浸润面抬高，渗透流量有了明显增大，防渗墙部分失效或者施工质量差会导致流量大幅增加，因此控制混凝土防渗墙的施工质量是必要的。

(2)由防渗体敏感性分析可知，采用垂直防渗墙(底高程1765 m)可满足防渗要求。