深厚砂卵砾石透水坝基渗流控制方案研究

2019-08-24毛海涛侍克斌王正成

水力发电 2019年5期

刘阳，毛海涛，侍克斌，王正成

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐830052；2.重庆三峡学院土木工程学院，重庆404100)

0 引言

深厚砂卵砾石覆盖层广泛分布于中国西南小河道，随着国家对中小流域治理力度地加强，大量的水利工程不得不建立在此类地基上[1- 6]。不同于大江大海上重要水利工程的渗流控制措施，小河道开发时更加注重经济、实用和环保相结合的渗流控制方案。据调查发现，小河道深厚砂卵砾石层厚度较大，属第四纪松散沉积物，具有结构相对松散、类型单一、透水性强等特征[7]。目前，坝基常采用的主要渗流控制方案有水平铺盖、垂直防渗墙、水平铺盖+防渗墙进行防渗。但小河道的渗流控制方案如果完全借鉴大江大河上水利工程方案(多为完全封闭式防渗墙)，造价高、难度大、工期相对长且环境负荷较重；但若不够重视渗流控制，又达不到兴利的目的，造成水(电)资源的浪费。因此，需要系统研究此类地基上渗流控制的优选方案。

针对地质条件复杂，渗漏问题突出的大坝防渗，国内外已经有大量的研究成果，如郑华康等[8]研究表明，防渗帷幕能够有效提高上游侧岩体内的地下水位、增加绕坝渗流的渗径长度、降低扬压力；温立峰等[9]研究表明，采用悬挂式防渗墙进行防渗时防渗墙深度与覆盖层厚度之比为0.7左右比较合理、仅仅依靠水平铺盖无法有效控制覆盖层；王大宇等[10]研究表明，土颗粒的级配、悬挂式防渗墙位置以及土体密实程度均会影响悬挂式防渗墙的作用效果；毛海涛等[11-12]研究表明，悬挂式防渗墙能有效控制坝基渗透坡降、遏制渗透破坏，渗流量控制效果随着防渗墙深度增加愈发明显。但上述研究成果均为考虑山区小河道与坝基的特殊性，考虑的因素往往局限于渗流控制方面。

本文以西南山区典型小型水电站龙水电站为例，利用有限元软件建立数值模型，分别计算水平铺盖、垂直防渗、联合防渗的渗流量及出逸坡降等参数，探讨各种防渗方案的控渗效果，以期遴选出适合西南山区小河道深厚砂卵砾石透水坝基最佳的渗流控制方案。

1 数值模型

1.1 稳定渗流场基本方程和定解条件

在稳定渗流场中，忽略土与水的压缩性，则属于达西定律的二维非均质各向异性土体渗流，其控制方程及边界条件可表示为

(1)

(2)

式中，h(x,z)为需求的水头函数；kx、kz为主轴方向为轴的渗透系数；f1为给定的水头；f2为给定的流量；Γ1为给定的水头边界；Γ2为给定的流量边界；Γ3为自由面；Γ4为溢出段；n为Γ3及Γ4上的任一点法线方向矢量。

1.2 渗流量的计算

对于二维渗流流量地计算，通过某一单元断面的渗流量qi表示为

(4)

通过渗流域某一界面的渗流量Q为

(5)

通过上述理论，采用有限元建立渗流计算模型进行分析计算。

1.3 模型建立

砂卵砾石透水坝基在西南山区小流域广泛存在，具有颗粒浑圆，骨架连续，颗粒间由细砂填充等特点，不均匀系数较大，从几十到数百不等，局部架空，常常呈管涌或流土破坏[13]。其厚度一般由几米到几十米不等，最多可达50 m[14]。综合分析西南山区砂卵砾石坝基的基本特点，遴选出小河道典型具有代表性坝基作为研究对象，本文以龙水电站坝基为例进行分析。

龙水电站位于重庆市巫溪县，坝基由砂卵砾石组成，覆盖层厚度达19.3 m。坝址控制流域面积36.2 km2，主河道长6.89 km，平均比降14.59%。混凝土砌块石溢流坝，坝顶高程733.5 m，最大坝高8.85 m，溢流坝段全长30 m，底栏栅坝段长10 m，栏栅左、右侧溢流坝长分别为15.7、4.3 m，大坝正常蓄水位为734 m。坝基为典型的深厚砂卵砾石透水坝基。龙水电站现状图及深厚砂卵砾石层剖面如图1所示。

图1 龙水电站深厚砂卵砾石层剖面示意

根据地质勘探资料，坝基砂卵砾石物理力学参数如表1所示。

拟采用3种方案对水平铺盖、混凝土垂直防渗墙及联合防渗各工况进行计算，分别为：①水平铺盖，水平铺盖长度L=0、10、20、30、40、50、60 m；②垂直防渗墙，防渗墙深度h=0、5、6、7、8、9、10、12.2 m；③联合防渗，(0～60 m)水平铺盖+(5～10 m)防渗墙。

方案①、②旨在探寻随水平铺盖长度和防渗墙深度变化，渗流场的变化规律。方案③为探寻水平铺盖和垂直防渗墙联合防渗对渗流场的影响。计算中坝体、混凝土防渗墙、粘土铺盖的渗透系数分别设定为5×10-7、2.24×10-8、1×10-5m/s。取最大坝宽处为模型计算剖面，该处渗流量最大，为渗流控制中的最不利剖面。其典型网格剖分如图2所示。

表1 坝基物理力学参数

图2 龙水电站纵剖面及网格剖分示意

2 计算结果与分析

根据上述方案的设定，分别计算各种工况下防渗方案对渗流的影响，图3为垂直防渗式坝基的渗流情况，基于数值模型的计算结果，将各类方案计算结果进行对比和分析。

图3 垂直防渗式坝基的渗流网格(单位：m3/s)

2.1 水平铺盖与垂直防渗墙对渗流场影响

依据设定的方案，计算水平铺盖和垂直防渗墙各类工况对渗流参数的影响。单宽渗流量q计算结果如图4所示。由图4可知，q随着L增加而降低，从最初的0.092 m3/s逐渐稳定降低至0.054 m3/s，下降率为41.6%。变化曲线基本呈线性变化，拟合函数为L=-6.65×10-4q+0.09，拟合度因子R2为0.99，拟合状况良好。随着h增加，q由0.092 m3/s开始逐渐降低，当h由0增加至10m时，q下降了38%。当h由10 m增加至12.2 m时，q由0.057 m3/s骤降至0 m3/s，此时防渗墙由悬挂式防渗墙变为全封闭式防渗墙。当L=41.67 m时的坝基渗流量与h=9 m时相同，为0.062 94 m3/s，此时L∶h=4.63∶1，即4.63 m水平铺盖与1 m防渗墙防渗效果相同。

图4 单宽渗流量q变化曲线

图5 q随L的变化曲线

2.2 水平铺盖与联合防渗对渗流场影响

将方案③的计算结果进行处理，联合防渗与水平铺盖对大坝渗流量的影响对比如图5所示。由图5可见，当h相同时，随着L增加渗流量呈线性下降。图中各条线的拟合斜率从上到下分别为-6.633 71×10-4、-5.413 14×10-4、-5.002 86×10-4、-4.618×10-4、-4.201 71×10-4、-3.701 43×10-4、-3.124 57×10-4，逐渐趋于平缓。即，随防渗墙深度增加，联合防渗中的水平铺盖长度对渗流量的影响逐渐降低。

2.3 垂直防渗与联合防渗对渗流场影响

将方案③的计算结果进行处理，防渗墙与联合防渗对大坝渗流量的影响如图6所示。由图6可得，当L一定时，q随着h增加逐渐减少。当L=0，h由5 m增加到10 m，q降低了28.7%。同样L分别为10、20、30、40、50、60 m时，h由5 m增加至10 m，q的下降率分别为27.8%，25.5%，23.5%。其中，联合防渗方案中，40 m水平铺盖+6 m防渗墙、30 m水平铺盖+8 m防渗墙、20 m水平铺盖+9 m防渗墙与仅做10 m防渗墙防渗时q相等。因此，可认为10 m防渗墙的防渗效果等同于40 m水平铺盖+6 m防渗墙、30 m水平铺盖+8 m防渗墙、20 m水平铺盖+9 m防渗墙联合防渗。

图6 q随h的变化曲线

表2 对比方案

3 渗流控制方案优选与讨论

3.1 能满足兴利的渗流控制方案

根据兴利要求和渗透稳定原则，龙水电站原采用30 m水平铺盖进行防渗是满足要求，后因洪水冲毁，失去防渗功能。因此，以30 m水平铺盖为基准，结合上述分析结果综合对比各方案，遴选出能满足工程渗流控制要求的方案。

分别计算下列3种方案：①L=30、40、50、60 m；②h=8、9、10、12、18 m；③10 m水平铺盖+(7～10 m)防渗墙，20 m水平铺盖+(6～10 m)防渗墙，(30～60 m)水平铺盖+(5～10 m)防渗墙。经计算分析可知，30 m水平铺盖的防渗效果大致等同于由10 m水平铺盖+7 m防渗墙组成的联合防渗或8 m垂直防渗墙方案。因此，考虑到洪水易冲毁水平铺盖，同等防渗效果下，推荐采用8 m垂直防渗墙或10 m水平铺盖+7 m防渗墙组成的联合防渗方案。

3.2 防渗方案需要关注的问题

西南山区小河道深厚砂卵砾石透水坝基需要着重考虑以下3方面的影响：①山区小河道汛期洪水频率高、历时短、流速大，破坏力强，对坝体和坝基表面的防渗设施威胁较大；②山区小河道必须确保地下和地表的生态流量，其中地下潜流肩负着河道下游地下水生态的健康发展；③山区小河道建坝规模较小，成本低，防渗方案选择需经济适用。

根据上述原则，结合文中研究结果和已有文献查询，3类渗流控制方案的对比如表2所示。

3.3 渗流控制方案的讨论

(1)水平铺盖需要防护措施。可将水平铺盖长度增加至60 m甚至更长，针对在山区小流域水平铺盖容易被洪水冲毁的特点，应该在铺盖末端设置防护坎，在铺盖表面填埋并碾压糙率较大的粗粒径砂卵砾石，减小洪水冲刷破坏。这一方案施工简单，造价低。

(2)防渗墙需要较大贯入度。悬挂式防渗墙在控制渗流量方面效果不明显，但是可以有效降低渗透坡降。防渗墙不易因洪水冲刷损毁，在本例中可选择8 ～10 m垂直防渗墙进行防渗，贯入度应在0.5以上，在经济允许的条件下可将防渗墙贯入度做到0.7，以上保证水电站效益最大化。但不建议采用封闭式防渗墙，因为小水电往往采用长距离的引水发电，拦水坝与发电房之间往往数公里甚至更长，其间河道地下水完全被截断，不利于生态环境的可持续发展。

(3)联合防渗。10 m垂直防渗墙的防渗效果等同于40 m水平铺盖+6 m防渗墙、30 m水平铺盖+8 m防渗墙、20 m水平铺盖+9 m防渗墙的联合防渗效果。采用联合防渗造价比只采用垂直防渗墙更低，防洪效果比水平铺盖更好。其中， 40 m水平铺盖+6 m防渗墙造价最低。

综上所述，在山区小河道深厚砂卵砾石覆盖层坝基渗流控制方案中，需要满足兴利、环保、经济、施工难度低等要求，综合对比不宜选择全封闭式防渗；仅用水平铺盖进行渗流控制，需加长铺盖长度，且进行周期性监控，确保水平铺盖的防渗效果，即使在洪水作用下部分破坏，也应及时修复。当联合防渗方案有多种选择时，建议尽可能选择长水平铺盖与短垂直防渗墙的组合。