深厚覆盖层地基高心墙堆石坝渗流特性三维仿真分析

唐瑜莲，丁兵勇

(1.浙江省水利水电技术咨询中心,浙江 杭州 310020；2.中国电建华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 311122)

深厚覆盖层地基高心墙堆石坝渗流特性三维仿真分析

唐瑜莲1，丁兵勇2

(1.浙江省水利水电技术咨询中心,浙江 杭州 310020；2.中国电建华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 311122)

在深厚覆盖层上修建高心墙堆石坝，高水头渗透压力在坝体、心墙、坝基岩土体和两岸坝肩中所形成的渗流场极为复杂.以瀑布沟水电站为例，对土质心墙堆石坝进行了三维稳定渗流场仿真模拟，重点研究了坝体、坝基深厚覆盖层和两岸坝肩渗流场的渗流特性，并选取了4个方案对不同防渗措施进行组合对比分析，推荐“两道封闭式防渗墙+灌浆防渗帷幕”为优化防渗措施，认为该方案在深厚覆盖层土石坝工程中安全可靠.

深覆盖层；心墙堆石坝；渗流特性；防渗墙

土质心墙堆石坝投资省、施工简单、就地取材，具有对坝基条件适应性好、能充分利用施工开挖料、抗震性能好等优点，是目前世界各国广泛采用的土石坝坝型，已建和在建230 m以上的高坝中，土质心墙堆石坝约占55.5%[1].渗流和渗透控制是土石坝工程中的一项极其重要的课题，直接关系到工程的安全和投资.根据我国对241座大型水库曾发生的1 000个工程安全问题所作的统计，其中有37.1%的安全问题是由于渗透破坏引起的[2-3].尤其是深厚覆盖层上修建的高心墙堆石坝，由于水库高水头渗透压力在坝体、心墙、坝基岩土体和两岸坝肩岩体裂隙中所形成的渗流场极为复杂，且渗流场的真实性态与稳定直接影响坝体和坝基的安全稳定，有必要采用三维数值仿真方法，研究这类型的高坝坝体和坝基渗流场的渗流特性，找出关键性影响因素，论证防渗措施的合理性、可靠性和分析潜在的问题，避免发生渗流不稳定和渗透破坏等异常现象，确保大坝的运行安全.

1 仿真方法和模型

1.1 仿真方法

渗流基本微分方程是根据能量守恒原理建立的流速和水头之间的关系，即达西定律和地下水运动的连续性方程联合建立的，目前常用有限元法进行求解.土石坝有自由面的渗流问题，因预先无法确定坝体中渗流自由面及逸出面的位置，土石坝渗流场的求解属典型的边界非线性问题[4]，需要进行迭代求解.有自由面稳定渗流问题的物理特性表现为：(1)自由面上任一点的水头须等于相应点处的位置水头或压力水头；(2)在饱和渗流场问题中，自由面上的流量分布为零，即在自由面上下两侧的渗流实域和虚域之间不存在渗流量交换.目前求解这类问题的有限元分析方法总体上分为两类：变网格迭代法和固定网格迭代法.

本文采用固定网络迭代法中的改进结点虚流量全域迭代法[5]，对包含坝体和坝基的全域三维模型进行求解.基于真解满足实域和虚域无流量交换的客观事实，围绕结点流量的连续条件，采用不断扣除结点虚流量贡献的方法，迭代求解追踪该问题的真解，同时引入双参数罚函数的改进截止负压法对结点虚流量进行修正，充分考虑到过渡单元的饱和非饱和作用[4].该方法具有理论严密、迭代收敛速度快和计算精度较高的优点.

1.2 仿真模型

瀑布沟水电站坝址位于大渡河中游尼日河汇口上游，电站采用堤坝式开发，是一座以发电为主，兼有防洪、拦沙等综合利用的大型水电工程.坝体采用土质心墙堆石坝，最大坝高186 m，坝顶长573 m，水库正常蓄水位850.00 m，死水位790.00 m，坝下常水位685.00 m.坝址河谷深切，呈“V”型峡谷地貌，两岸谷坡陡峻，山体雄厚；河床覆盖层平均厚60 m，最大厚度76 m，根据沉积时代、物质组成及结构特征，由老至新分三层：漂卵石层(Q32)、卵砾石层(Q41)、漂(块)卵石层(Q42)；坝址基岩左岸及下游河床为中粗粒花岗岩，右岸大部及上游河床为浅变质玄武岩.

为了精确地模拟工程区内复杂渗流场，考虑水工结构和渗控措施的布置情况、覆盖层和岩体水文地质特性及山坝址区的地形条件，经综合分析拟定计算域范围(见图1)为：左右岸大致取到两岸山脊分水岭处，左岸包括地下厂房洞室群[6]；上游取到距坝轴线以上1.2 km，约3倍坝底宽度；下游取到距坝轴线1.8 km的尾水洞出口处，包括了支流与干流的交汇处；地基边界取到相对不透水边界，覆盖层以下深度约为1.5倍最大坝高.

为了尽可能精细反映坝体结构、坝基覆盖层地质特性及防渗措施，按渗流计算特点合理地建立三维有限元模型[7-8]，主要以8结点六面体空间等参单元为主，局部区域以6结点五面体等参单元进行过渡，单元划分时渗流急变区(如心墙、混凝土防渗墙、帷幕等)附近单元密集，其他区域单元相对稀疏，且详细模拟了防渗墙与坝体防渗体连接部位情况、心墙底部及两岸坝肩心墙底部加宽等细部构造(见图2).

计算模型边界条件的设定：鉴于大坝建于“V”型河谷，山体排水快，根据地质勘测资料查明无明显储水构造，计算域四周边界在满足计算精度的条件下设定为不透水边界，水平底边界取到相对不透水层也设为不透水边界；水库上、下游面分别取已知水头值；因灌浆廊道混凝土的渗透能力要远小于其周围砾石土心墙材料的渗透能力，设定廊道内壁面为不透水边界.

图1 工程区三维渗流计算有限元模型

图2 防渗措施有限元模型

1.3 计算参数

各材料分区的渗透系数根据钻孔注水、压水试验数据，结合工程类比设定，取值(见表1).允许渗透比降分别取河床覆盖层0.1，心墙3.0，混凝土防渗墙120.

表1 各材料分区渗透系数取值 cm/s

备注：水平与垂直渗透系数取值相同.

2 仿真成果分析

为提高大坝在运行过程中不发生渗流不稳定和渗透破坏等异常现象的能力，本文选取了4个方案，对不同防渗措施进行组合对比分析，以提出合理可靠的防渗方案及优化意见.具体的方案说明(见表2).

表2 土质心墙堆石坝渗控措施计算方案

(1)坝区渗流场特性：坝区的渗流场具有典型的三维特性(见图3)，表现为大坝在蓄水后，渗透水流不仅通过心墙、坝基，还会绕过左右坝肩基岩向下游河床渗流，渗透水流面为环绕坝肩的曲面.由于河流在坝址处向左转弯，且右岸下游500 m处有一条支流，其走向基本平行坝轴线，这样的地形地貌就使得坝区左、右两岸的坝肩绕渗呈现不对称分布，即右岸山体单薄，渗径较短，山体排水通畅，相应的地下水位低于左岸.值得注意的是两岸坝肩靠近坝体区域由于渗径短，绕坝渗流作用强，等水头线较远离坝体区域密集，因此坝端的渗流作用不可小视，严重影响坝体端部及坝肩的渗透稳定性，有必要设置安全可靠的防渗帷幕.

(2)心墙和坝基渗流场特性：从方案1(见图4)坝体防渗效果分析，心墙内等水头线密集，显著降低了坝体浸润线的高度，浸润线几乎沿着心墙下游面降落，到与下游水位同高程处水平延伸到下游水位，逸出点与下游水位基本重合.心墙灌浆廊道与混凝土防渗墙连接部位，等水头线较为集中，该区域渗透梯度较大，也是心墙最大渗透比降(约达5.0)出现的部位，超过了粘土允许渗透比降值(3.0).建议该连接部位即心墙底部做特殊处理，即心墙底部加宽并采用高塑性粘土填筑，以承受高渗透比降，提高该部位抗渗透变形能力，同时心墙底部和下游面设置可靠的反滤层保护渗流出口.从方案1坝基防渗效果分析，渗流水头几乎全部由主防渗墙承担(消减了近95%的全部水头)，上游面的副防渗墙未见水头集中消落，其原因在于主防渗墙下连接了帷幕灌浆，而副防渗墙下没有帷幕灌浆，渗漏水依然通过副防渗墙下部基岩流入两道防渗墙之间.当渗流场处于稳定状态时，副防渗墙上、下游面的水头值基本相当，因此副防渗墙没有表现出明显的防渗效果.

图3 方案1和方案2自由面等水头线分布

图4 方案1和方案2中心剖面等水头线分布

(3)坝基无防渗措施渗流场特性：方案2(见图4)用于分析坝基没有采用任何防渗措施情况下，坝体及坝基的渗流特性，以同设防渗措施情况进行对比.该工程坝基的渗透特性比较单一，均为强透水性覆盖层，渗透系数在1.0×10-1～7.5×10-2cm/s，坝基中的等水头线根据各区材料的相对渗透性，分散分布在整个坝基中，且消散较慢.由于强透水性坝基的渗透水流抬高了心墙下游面的浸润线，下游堆石体内的浸润线比方案3(见图5)高出约40 m，由于堆石体和石渣压重排水较快，下游逸出点与下游水位齐平，没有出现渗流逸出区.在坝基无防渗措施情况下，坝体心墙的防渗作用也有受到影响，心墙的防渗作用也大大消弱，消减水头较方案1减少近30 m.根据渗透比降分布情况，心墙下方覆盖层渗透比降均大于允许值，最大值达到6.0，下游逸出点的最大渗透比降为0.4，因此坝体及坝基的整体渗透稳定性受到严重威胁，必须采取合理的渗控措施确保大坝安全.

(4)有防渗墙和防渗帷幕的坝基渗流场特性：方案3中仅采用了一道主防渗墙和帷幕灌浆联合防渗，较方案1，覆盖层中的全部等水头线同样集中消减在防渗墙内，两个方案的渗流场分布几乎完全相同，仅1号等水头线的位置和走势略有差别，方案1是消减在副防渗墙内.由此也可以看出，副防渗墙的并没有起到工程意义上显著的防渗作用，但若主防渗墙发生局部损坏，副防渗墙将替代主防渗墙起主要防渗作用，其设置可以提高坝基防渗措施的可靠性.方案4(见图6)中考虑两道混凝土防渗墙，基岩中没有设置防渗帷幕.同方案1渗流场分布明显不同，由于基岩中水流没受到防渗帷幕阻挡，两道防渗墙底部渗透流速基本相同，上下游水头由两道防渗墙共同承担，其中上游面副防渗墙消减水头70 m，占总渗透水头的42%；下游面主防渗墙消减水头60 m，占总渗透水头的36%，消减水头基本相当.由此可以看出，基岩帷幕灌浆失效时，主、副防渗墙将共同承担坝基防渗作用.

图5 方案3中心剖面等水头线分布

图6 方案4中心剖面等水头线分布

3 结 论

通过对深覆盖层上土质心墙堆石坝的三维稳定渗流场有限元仿真计算，分析其渗流场分布规律及渗流特性，研究多方案防渗措施的防渗作用，推荐“两道封闭式防渗墙+灌浆防渗帷幕”是深厚覆盖层土石坝工程中即安全又可靠的防渗措施，可为同类工程提供借鉴与参考，主要结论如下：(1)工程区渗流场具有典型三维渗流特性，等水头线分布明显不均，存在坝肩绕渗现象，因左岸存在支流，绕坝渗流两岸不对称，应加强支流侧坝肩帷幕灌浆设计，提高防渗帷幕的安全可靠性；(2)坝体防渗心墙底部渗透比降消减急剧，有必要采取扩大底部接触范围和底部铺设高塑性粘土的措施，同时在底部和下游面设置反滤层保护渗流出口，有利于提高心墙底部抗渗透变形破坏(接触冲刷)的能力；(3)深厚覆盖层坝基渗透系数大、允许渗透比降小，有必要采用封闭式混凝土防渗墙，结合帷幕灌浆的防渗措施，提高防渗效果，同时设置副防渗墙，为主防渗墙或防渗帷幕起到备用防渗作用，能有效提高坝基防渗措施的安全可靠性.

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On Seepage Characteristics of High Core Wall Rock-fill Dam on Deep Overburden Foundation

TANG Yu-lian1, DING Bing-yong2

(1.Zhejiang Water Conservancy and Hydropower Technology Consulting Center, Hangzhou 310020, China;2.Powerchina Huadong Engineering Co., Ltd., Hangzhou 311122, China)

In view of the construction of high core wall rock-fill dam on deep overburden, the seepage field formed by high head seepage pressure in the dam body, core wall, overburden layer, valley foundation and dam abutment rock is extremely complex. Taking Pubugou Hydropower Station for example, the field simulation of three-dimensional steady seepage field for soil core wall rock-fill dam is analyzed in this paper, focusing on the seepage characteristics of the dam body, the deep overburden and the seepage field, and 4 anti-seepage programs with multi measures are compared and analyzed, which is proved to be safe and practical in the construction of deep overburden rock-fill dam.

deep overburden; core wall rock-fill dam; seepage characteristic; cutoff wall

TV543+.8

A

1008-536X(2017)03-0012-04

2016-12-10

唐瑜莲(1984-)，女，四川资中人，硕士，工程师，主要从事水利水电工程技术咨询工作.