雅口航运水利枢纽工程二期粉细砂围堰渗流分析

程 燕，蔡文婧 ，薛 松 ，童富果

(1.中国葛洲坝集团市政工程有限公司，湖北 宜昌 443002；2.三峡大学，湖北 宜昌 443002；3.湖北省水电工程施工与管理重点实验室，湖北 宜昌 443002)

0 引言

汉江雅口航运水利枢纽工程(以下简称“雅口工程”)地处江汉中游的冲积平原地带，围堰填筑所需土石料相对匮乏。考虑到工程经济性及环保要求，工程二期围堰采用了当地河床覆盖的粉细砂作为主要填筑料，而粉细砂堰体和堰基透水性强，抗渗透破坏能力差[1]，对渗流控制提出更高的要求[2]。围堰选用复合土工膜搭接混凝土防渗墙作为防渗体系，复合土工膜是一种新型的防渗材料，其具有防渗性能好，造价低，便于快速施工等优势[3-4]，在围堰工程中得到广泛应用[5]。但是，土工膜在铺设和运行的过程中，易受到人与机械碾压及下垫层顶压作用发生局部变形产生渗漏，导致防渗效果达不到设计要求[6-7]。复合土工膜作为一种防渗材料，其渗透系数是工程应用最关注的指标之一，也是渗流分析中的关键参数。

完好的土工膜通常可视为不透水材料，渗透系数取值一般在10-13～10-11cm/s 之间[8]。而已建工程的渗流监测结果及研究统计发现，防渗体系中，土工膜的实际渗透系数大多在10-8～10-6cm/s 之间[9]，表明土工膜在实际的运行过程中不可避免的存在损伤渗漏。部分学者开展了土工膜的缺陷渗漏试验[10-11]，指出缺陷渗漏流量和渗透系数受多种因素的影响，包括土工膜损伤类型、压力水头及土工膜的种类等[12]。总体而言，目前对于土工膜的缺陷渗透特性仍缺乏统一的认识和较权威的理论支撑，仍需针对具体工程问题开展相关分析。

为评估土工膜损伤对粉细砂围堰渗流稳定性的影响，本文开展土工膜缺陷渗漏试验，确定土工膜损伤渗透特性，结合渗流模拟分析雅口二期围堰最不利渗流工况下的稳定性，为指导围堰安全度汛提供支撑。

1 土工膜渗透特性测试试验

1.1 试验设计

设计土工膜渗透特性试验装置，包括压力控制模块，土工膜渗漏模拟模块和渗漏量采集模块3 个部分，如图1 所示。土工膜渗漏模拟模块主要由上、下2 个内径为8 cm 的空心圆桶以及中间夹持的土工膜组成。下桶装有粉细砂夹砂卵石垫层以支撑土工膜，为大气压力环境；上桶可容纳有压水以模拟土工膜工作水压，为有压环境；土工膜与上下桶之间通过垫圈密封防止漏水。压力控制模块由空压机、储水压力罐和压力控制表组成，通过连接上部圆桶顶部，为试验提供稳定供水水压；渗漏采集装置由电子天平和计算机自动采集系统组成，通过连接下部圆桶底部，实时采集穿透土工膜的渗流水量。

图1 土工膜渗透特性试验装置示意图

本试验选用雅口二期围堰所使用的复合土工膜进行试验，该复合土工膜规格为200 g/cm2/0.3 mm/200 g/cm2。下垫层为河床覆盖料粉细砂夹砂卵石，本试验通过模拟雅口二期围堰土工膜施工、使用过程中的不利环境损伤土工膜，由于粉细砂和复合土工膜两侧的土工布对土工膜起保护作用，土工膜并未出现明显的大孔洞破坏，复合土工膜下部选用围堰使用的粉细砂垫层，底层采用透水性较好的透水石进行试验。

为系统探究水压力条件对土工膜渗透特性的影响，结合雅口二期围堰运行环境，设置1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、8 m、10 m、12 m、14 m、16 m、18 m 和20 m 共13 个压力水头工况。每个工况下，通过压力控制模块向土工膜施加恒定水压，待土工膜上部水压力稳定后通过渗漏量采集模块获取土工膜渗漏水量。

1.2 试验结果与分析

绘制一定压力水头下土工膜的渗漏水量、渗漏流量与时间的关系，如图2 所示。从图2可以看出，渗漏水量并不是随时间呈线性增长，而是呈现增长速率减小的增大趋势，最后呈线性增长；渗漏流量先减小，最后趋于稳定。这表明土工膜在产生磨损破坏的情况下，随着时间的增加，土工膜与下垫层贴合得更加紧密，且粉细砂易堵塞微小的裂纹型渗流通道，故渗漏流量减小。

图2 渗漏水量、渗漏流量随时间变化过程

为计算不同压力水头下的渗透系数，取每个水头下最大的渗漏水量为计算参数，见表1所列。

表1 不同压力水头下的最大缺陷渗漏流量

假定渗流过程符合达西定律，在不同水压力件下，土工膜的渗透系数可以由式(1)计算得到。

式中：k为渗透系数，cm/s；Q为渗漏量，ml/s；T为土工膜的厚度，取值为0.03 cm；ΔH为土工膜两侧水头差，m；r为土工膜试样的半径，取值为4 cm。

图3 展示了渗漏流量、渗透系数随压力水头的变化。可以看出，当压力水头小于5 m 时，渗漏流量随着压力水头的增大基本呈线性增大，相应的渗透系数趋于稳定；而当压力水头高于5 m 时，随着压力水头的增大，渗漏流量增长趋势逐渐变缓，渗透系数减小；该变化趋势与刘凤茹[13]等、李昱莹[14]等研究者得到的结果相似。该变化趋势是由于膜前压力的增大，土工膜与下垫层骨料贴合更紧，减缓了水流的渗透，使得渗透率降低。土工膜在磨损后，渗透系数在10-7cm/s 量级，与已建工程渗透系数的实测结果在同一范围内。相较于完好情况下的土工膜，其防渗性能明显降低。

图3 渗流量、渗透系数随压力水头的变化

2 围堰渗流分析

雅口二期过水围堰汛期从堰顶过流，渗流计算不考虑坝体和坝基的渗透水量，渗流计算的目的是：①确定浸润线的位置，为堰体的稳定分析提供依据；②确定粉细砂堰体和堰基的渗透梯度，确保堰体和堰基的渗透稳定。

2.1 围堰结构特征

雅口二期围堰上游中间断面最大堰高达14.7 m，承受的渗透水头最大，渗流稳定最不利。围堰由顶部子堰和过水围堰两部分组成，过水围堰由砂卵石夹粉细砂戗堤进占，在围堰两侧形成砂卵石棱体，围堰内侧采用当地材料粉细砂为主要填筑料。子堰迎水面采用复合土工膜防渗，40 cm 厚砂袋护坡，基坑测采用土工布对粉细砂起到防护作用。在过水围堰迎水面侧采用块石压坡护底，并布置土工布对粉细砂堰体和堰基起到防渗反滤的作用；背水面侧采用2.5 m 宽管袋充填粉细砂护坡，并在其下层布置土工布和丙纶布反滤。子堰复合土工膜与过水围堰上游面内侧60 cm 塑性混凝土防渗墙共同组成一道封闭的防渗体系，塑性混凝土防渗墙伸入基岩1 m。围堰断面结构如图4所示。

图4 围堰断面结构

2.2 计算模型与参数

依据围堰断面结构建立围堰有限元模型，该模型共划分了8 种材料分区，包括粉细砂填筑料(覆盖层)、砂砾石覆盖层、砂岩层、抛石、管袋砂、C25 素混凝土、塑性混凝土防渗墙、土工膜，围堰有限元网格划分如图5 所示。上游边界取围堰迎水面坡脚向上游延伸19 m，下游边界取围堰内侧坡脚向下游延伸45 m，底部取基岩面以下15 m。上游和下游围堰两侧均为已知水头边界，计算区域顶部及底部均为不透水边界。围堰上游、下游均为已知水头边界，模型底部为不透水边界。堰前最高水位55.68 m，基坑高程41.2 m。

图5 围堰有限元网格划分

利用土工膜作为防渗体时，其厚度不足1 mm，在渗流计算中难以准确模拟。故采用等效替代法，对土工膜渗流计算模型实现等效转换。等效替代法是在渗漏量相同的前提下，将复合土工膜转换成等效厚度的防渗体，再进行渗流计算。等效过程中基于流量守恒原则，沿用达西定律计算等效厚度和等效渗透系数，如式(2)所示。

式中：Q为土工膜的渗漏量，m3/s；k为土工膜的渗透系数，m/s；ΔH为土工膜上、下游水头差，m；A为土工膜的渗透面积，m²；T为土工膜的厚度，m。

由图3 可得，土工膜渗透系数在低水头下最大，由其值约为7.0×10-7cm/s。在土工膜渗透性等效时，以此为依据，厚度为0.3 mm 的土工膜等效为厚度3 cm 的防渗体时，渗透系数应等效放大100 倍，取值为7.0×10-5cm/s。过水围堰顶部的混凝土面板较薄且跨度大，产生裂缝的可能性较高，对其渗透系数进行相应折减，取值为8.0×10-4cm/s。其他材料分区的渗透系数依据工程报告取值见表2 所列。此外，为增强围堰背水侧的反滤和防冲能力，设置土工布和丙纶布结构，但考虑到两者厚度较薄，模拟过程中仅将其作为安全储备进行分析。

表2 围堰填筑材料及河床覆盖层渗透系数

2.3 渗流分析及度汛

1)渗流计算结果分析

水头等值线分布如图6 所示。由图6 可以看出，浸润线在防渗体系出现陡降，等势线主要分布在土工膜和防渗墙位置，复合土工膜和防渗墙组成的防渗体系起到较好的防渗作用。堰芯填筑区域内水头等值线稀疏，最大渗透梯度为0.015，小于粉细砂允许渗透坡降，满足GB 50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》[15]要求。逸出点位置接近基坑地面高程。逸出点以下的坡脚及堰基渗透梯度方向向上，渗透梯度的大小为0.1，小于发生管涌和流土破坏的允许渗透梯度值，满足规范要求。该结果表明：采用土工膜搭接混凝土防渗墙的防渗体系能够有效控制围堰渗透梯度，防止粉细砂堰体渗透破坏。

图6 水头等值线分布图

2)围堰度汛

该新型围堰结构建成后，于2021 年8 月31 日经历了最大洪峰流量为13 000 m3/s 的洪水，上游堰前洪水位最高55.03 m，接近子堰顶高55.7 m，且围堰未见明显的渗透破坏现象。2021 年9 月1 日上午6 时，按防汛指挥部门统一部署，对二期围堰上部子堰进行了破堰充水、基坑过流；上部子堰体随过堰水流自溃，过流期间最大流量为12 900 m3/s。过流后，上下游围堰主体结构完整，围堰主体未发生明显渗透失稳情况。

3 结论

本文以雅口工程二期围堰为例，研究以当地粉细砂材料为主要填筑料，以土工膜为主要防渗体的新型围堰及其渗透稳定性问题，取得如下结论：

1)开展不同压力水头作用下土工膜损伤后渗透特性试验，发现土工膜损伤，土工膜的渗漏流量初始最大，而后逐渐减小并趋于稳定，渗透系数随水压力增大呈逐渐减小趋势。

2)采用等效替代法对土工膜防渗效果进行模拟，表明土工膜和塑性混凝土防渗墙组成的防渗体系能够起到较好的防渗作用，粉细砂堰体和堰基的渗透梯度值满足规范要求。

3)雅口工程二期围堰成功经受了2021 年汉江秋季特大洪水的考验，围堰并未发生明显的渗透破坏，证明该围堰以河砂为堰体填筑料结合土工膜防渗结构形式的可靠性。