丹江口砂卵石坝壳静压注浆渗控效果研究Ⅰ：二维渗流计算

2009-01-29吕国梁王金龙

长江科学院院报 2009年10期

张伟，吕国梁，王金龙，肖利

1 问题的提出

丹江口左岸土石坝加高前，经过多年的运行维护，以及历年的多次加固，形成的现有大坝整体运行基本正常。但是，多年的运行也暴露出了一些问题［1～7］，如部分心墙含水量偏高，心墙内分布软弱夹层等透镜体；常年处于设计水位以下运行导致心墙上部失水等；特别是在加高工程开工建设以来，对原有心墙取样发现，心墙内土体具有一定的膨胀性，且切样过程中发现部分裂隙分布其中以及坝顶心墙黏土密度不够等问题。

针对上述问题，曾采用心墙内增设混凝土防渗墙进行加固。因当时施工水平所限，与混凝土坝连接部位未能实施防渗墙，尚存在约40 m宽缺口［8，9］，而这些心墙形状极不规则，如 1＋180断面，心墙中部厚度仅7 m多，是否满足加高后的渗透稳定要求，尚需进一步的研究。

鉴于上述原因，设计拟采用静压注浆来弥补心墙存在的不足。然而，静压注浆处理砂卵石坝壳料应用很少，为此，在现场进行了静压注浆试验，通过以确定静压注浆体的渗透系数范围，在此基础上，针对实际加高后的土石坝，采用二维和三维渗流计算方法，分析了静压注浆体的渗控效果。限于篇幅，本文仅介绍二维渗流计算成果，三维渗流计算成果另文发表。

2 主要研究内容及思路

（1）资料收集整理与分析。收集整理丹江口水库左岸土石坝设计、施工、监测、运行维护以及静压注浆的相关资料［1～10］，对坝体各分区材料的渗透特性进行归纳分析，确定各渗透性分区计算参数以及允许渗透比降等。

（2）参数敏感性计算分析。针对典型断面和心墙无缺陷条件，考虑正常蓄水位，在给定的各渗透性分区参数范围内进行一系列参数组合条件下的渗流场计算，分析渗流场对参数的敏感性，确定最不利参数组合，并以此计算结果评价左岸连接坝段的渗流安全状态。

（3）心墙无缺陷且实施静压注浆后大坝的渗流计算分析。在正常蓄水位条件下，计算实施静压注浆后大坝的渗流场，评价静压注浆后的渗控效果。

（4）黏土心墙水平裂缝条件下的渗流计算分析。对心墙狭窄处出现水平裂缝渗流状态进行计算分析，在此基础上，对静压注浆体的渗控效果进行分析评价，以此作为心墙极端条件下的渗透稳定性评价以及静压注浆体的渗控效果评价。

3 计算模型参数与计算条件

本文采用二维稳定渗流有限元计算方法分析了不同条件的渗流场以及静压注浆体的渗控效果，具体方法见文献［11］。

3．1 计算模型

选取典型断面1＋180作为二维渗流计算断面，见图1。以坝轴线为中心，左右各取200 m，并作为隔水边界，模型底部高程48 m。计算域内包含的渗透性分区有5个，即上游砂卵石、黏土心墙、反滤层、下游砂卵石、基岩。

图1 二维渗流计算模型（1＋180）ig．1 The two dimension seepage modle at section（1＋180）

3．2 计算参数

归纳分析以往资料［1～10］，得到各渗透性分区的渗透系数和渗透比降见表1。表中同时给出了依据现场试验确定的静压注浆体渗透系数和依据以往类似工程资料确定的基岩渗透系数。

表1 各渗透性分区计算参数范围Table 1 The range of calculation parameters ofthe partition of permeability

3．3 水位及边界条件

模型上、下游边界均为定水头边界，上游边界对应上游水位174．35 m，下游边界对应下游水位113．83 m，模型左、右侧边界以及底边为隔水边界。上游挡墙考虑为完全透水体，下游挡墙前设置有排水反滤层，作为下游出逸边界考虑。

4 计算结果及分析

4．1 计算参数敏感性分析

在心墙无缺陷且没有进行静压注浆的条件下，针对典型断面（1＋180），按表1给定的计算参数范围进行计算参数敏感性分析，确定不利参数组合，作为下一步计算的依据。考虑到反滤料厚度有限以及基岩对大坝渗流状态影响较小，不作计算参数敏感性分析，重点针对心墙、上下游砂卵石坝壳料进行参数敏感性分析。

首先对心墙黏土渗透系数敏感性进行了分析。上下游坝壳料渗透系数分别取最大值，为2．2×10－1cm／s，反滤料渗透系数取1．2×10－3cm／s，基岩渗透系数为1×10－5cm／s，比较心墙不同渗透系数（见表2）条件下的渗流计算结果，见表3，方案xq5的等势线分布见图2，其他方案等势线与之类似。

表2 心墙黏土计算参数取值Table 2 The calculation parameters of clay cm／s

表3 心墙黏土计算参数敏感性分析计算结果Table 3 The calculated results of the sensitivity analysis with the calculation parameters of the clay in the core wall

图2 方案xq5等势线分布Fig．2 The equipotential line distribution of the xq5 scheme

综合分析表3的结果，心墙黏土渗透系数取最大值，对大坝渗透稳定最为不利。

其次，依据相同方法，对上下游坝壳料渗透系数进行了敏感性分析，得到如下结果：下游坝壳料取最小渗透系数、上游坝壳料渗透系数取最大值时，对大坝渗透稳定最为不利。各渗透性分区渗透系数最不利组合结果见表4，其计算结果列于表5。

表4 各渗透性分区不利组合参数取值Table 4 The computation parameters of the disadvantaged combination in the partition of permeability cm／s

4．2 心墙无缺陷条件下静压注浆体渗控效果分析

各渗透性分区渗透系数依据上述结果进行取值，考虑静压注浆范围是：底高程117 m，顶高程145 m，最大厚度7．5 m，静压注浆体渗透系数分别考虑5．0×10－4cm／s（zj1－1）和1．0×10－4cm／s（zj1－2），计算结果见表5，为了对比，表中还给出了未静压注浆时的计算结果。

表5 静压注浆前后计算结果Table 5 The seepage calculated results before or after the static pressure grouting（scheme 2）

从表5分析得到，采用静压注浆后，静压注浆形成的区域渗透系数为5×10－4cm／s时（方案zj1－1），与静压注浆前结果相比，改变极小；当静压注浆区域渗透系数达到1×10－4cm／s时（方案zj1－2），狭窄处承担的渗透比降为4．96，小于5。对于下游坝壳料，静压注浆对其渗流状态的改变不大。所以，在心墙完好条件下，静压注浆体的效果有限，主要是因为心墙还是起到了决定性的防渗作用，静压注浆只是弥补了心墙局部厚度不够，且要求静压注浆区域渗透系数必须达到1×10－4cm／s才具有一定效果。

4．3 心墙缺陷条件下静压注浆体渗控效果分析

在上述计算分析的基础上，考虑心墙狭窄处存在水平贯穿裂缝，其等效渗透系数与上游坝壳料一样，分析静压注浆前后渗流状态，计算结果见表6。其中方案lfzj1代表静压注浆前的计算结果，方案lfzj2、lfzj3、lfzj4静压注浆体渗透系数分别为5×10－4、1×10－4和5×10－5cm／s。方案 lfzj4的渗流等势线分布见图3。

表6 心墙裂缝和静压注浆条件下的计算结果Table 6 The seepage calculated results the core wall＇s cracks occurrencl and obtained under the conditions of the static pressure grouting

图3 方案lfzj4等势线分布Fig．3 The equipotential line distribution of the lfzj4 scheme

表6结果表明，采用静压注浆后，当静压注浆体渗透系数为5×10－4cm／s，下游坝壳料水位分布高程较高，出逸比降达到1．14，仍然超过了下游砂卵石允许渗透比降，不能满足渗透稳定要求。当静压注浆渗透系数达到1×10－4cm／s（方案 lfzj3）时，下游砂卵石内水位仍然较高，出逸比降达到0．84。按照表1提供的砂卵石临界比降为1．25～3．50，考虑1．5的安全系数，允许渗透比降为0．83～2．33，稍超过允许渗透比降。当静压注浆渗透系数达到5×10－5cm／s（方案lfzj4）时，下游砂卵石内水位仍然较高，出逸比降达到0．70，小于试验得到的砂卵石允许渗透比降0．83～2．33。从渗漏量看，采用静压注浆后，随着静压注浆区域渗透系数的降低，渗漏量从14．24 m3／d降低到了4．53 m3／d，效果明显。