深度和透渗常数影响的帷幕阻渗敏感性数理模拟分析探究

陈洁宇

(水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，新疆 昌吉 831100)

阻渗帷幕对坝基漏渗及扬压力状态具有控制作用，如果阻渗帷幕存在严重设计缺陷，会直接导致坝体漏渗量控制状态发生问题。本研究参考工程案例实用数据，借助工程专业有限元Geostudio模拟系统，以数理模拟计算分析的方式，对坝基透渗常数和阻渗深度帷幕实施敏感性分析，探讨帷幕透渗常数及不同深度帷幕对坝基漏渗与扬压力的影响，以期为同类坝体深度帷幕工程应用提供研究和技术参考，助力建设安全适用的坝体帷幕工程。

1 案例工程概况

案例水库竣工于上世纪70年代，水库位处某市的纵化区东北部，坝址坐落于汾田水下游，坝址以上总干流长度约21 km，是一座具有灌溉、防洪和发电功能的中型水库。案例水库主坝上下游视图见图1和图2。

图1 案例水库主坝上游视图

图2 案例水库主坝下游视图

水库集雨面积92.3 km2，总库容9 097×104m3，发电总装机容量8 800 kW。枢纽工程一般由输水隧道和坝体等主要建筑物组成,坝体建筑物等级3级，100年一遇的设计洪水标准，核校洪水1 000年一遇标准。坝体为浆砌石重力坝类型，最大坝高61.3 m，坝长181.9 m。案例水库配合流溪河水库，合计灌溉农田达3.333 3×104hm2，保卫43万人口和下游4.6×104hm2土地的安全。

案例水库浆砌石重力坝系较为典型的以浆砌石为材料建成的中高重力坝。当时，浆砌石高重力坝尚处在初步进展阶段，受工艺、材料、技术水平以及施工管理等条件的制约，该工程存在着一定缺陷。水利部门一直关注案例坝体的安全性，并长期实施了安全管理和监测。投入运行后，设有坝基漏渗、坝身、降雨量及库水位等人工观测项目，后来又增设了人工观测坝顶垂向移位及水平移位项目。现已建立专业的案例水库坝体安全管理与监控系统，除了将漏渗量、降雨量及库水位观测改造为智能自动遥测外，还增设了倒垂线坝基水平移位、坝基扬压力、构造缝、静力水准垂向移位、大气温度、基岩与坝身温度等自动化监测项目。整个监测作业由案例水库的职能管理部门负责实施。

运行后不久，案例水库坝体就发生较明显的漏渗，坝体的漏渗经多次局部灌浆治理后有所降低，但仍然反复多次再度发生漏渗，灌浆治理效果不够理想。2005年6月，水位自165 m骤升至174 m后，漏渗量亦随之剧增，较大漏渗量在坝身及坝基均有岀现，坝身及坝基最大总漏渗量达1 606.89 m3/d。其中，有1 295.54 m3/d属于坝基的漏渗量，311.35 m3/d属于坝身的漏渗量，而此前仅为1 025.14 m3/d的最大总漏渗量。库水位此时为174.35 m，仍然较175.01 m正常蓄水线要小。黄色偏红的凝胶状物出现在基岩排水孔处，白色结晶状析出物在廊道内壁多处可见，现场廊道检査发现分缝处渗水较多，且部分孔位的扬压力攀升明显。坝体此时已运行29年，对扬压力突然显著攀升及发生漏渗现象的原因当时存在多种技术观点，一直没有形成各方统一认同的意见。2007年，案例水库进行了坝体安全鉴定。2008年，项目组提出扬压力偏高和漏渗的解析，结合分析结果，管理单位采取了对应处理加固措施。实施整固措施以后，治理效果明显。

2 有限元计算模型的建立

2.1 计算模型

以工程专业有限元Geostudio模拟系统创建计算模型。参考案例水库坝址区渗流场分析研究的需要和岩层水文地质特性，以距坝基阻渗帷幕底部约120 m的基础深度、两倍坝高的左右岸长度为范围区域创建分析计算模型。模型模拟了工程区坝身、岩体、阻渗帷幕等，涉及区域囊括对计算域渗流场存在影响的主要边界范围。模型断面见图3，有限元模型河床坝段网络划分见图4，模型网络共计6 212个节点，6 047个单元。

图3 模型断面图(单位：m)

图4 渗流有限元模型河床坝段网络划分图

2.2 计算参数

取帷幕宽度为3.5 m。结合原设计资料，依据案例工程岩土勘察报告确定计算参数取值，坝基、坝身和阻渗帷幕透渗常数见表1。

表1 坝基、坝身和阻渗帷幕透渗常数

2.3 边界条件

重力坝基础底面和上下游基础垂向断面均为不透水面；重力坝下游河床水位以下坝体表面及上游水体库水位以下坝体表面为水头已知边界；水位以上重力坝下游坝身表面为渗流可能逸出面；上游水位正常蓄水工况时取175.01 m，相应下游为无水。

表2 阻渗深度帷幕对漏渗和扬压力的影响分析工况

2.4 计算工况

阻渗深度帷幕范围通常取为0.3～0.7倍的水头高程，本案例工程坝身上游水体头正常蓄水线工况时为58.6 m，阻渗帷幕分析深度0～50 m，17～41 m是深度帷幕范围，每工况间隔5 m，取不同深度帷幕对扬压力和坝基漏渗的影响实施分析，阻渗深度帷幕对漏渗和扬压力的影响分析工况见表2。

选用正常蓄水线工况作为阻渗帷幕透渗常数的影响计算工况。除了透渗常数，其他参数等同前述模型。工况及对应阻渗帷幕透渗常数见表3。

表3 工况及对应阻渗帷幕透渗常数

3 坝基阻渗帷幕有限元模拟计算分析

3.1 阻渗深度帷幕的影响分析

3.1.1 折减常数和扬压力基于阻渗深度帷幕的影响分析

基于深度帷幕差异的扬压力曲线状态见图5。随深度帷幕变化的帷幕后扬压力折减常数过程曲线见图6。曲线揭示，随着阻渗帷幕的加深，坝基扬压力对应伴随下降。但当到达20m坝基深度帷幕后，坝基的扬压力随着帷幕的加深而下降的趋势开始变得不明显。本坝基工程的阻渗深度帷幕设计取20 m，表明深度帷幕的设计是适合的。

图5 基于深度帷幕差异的扬压力曲线状态

图6 随深度帷幕变化的帷幕后扬压力折减常数过程曲线

3.1.2 漏渗量基于阻渗深度帷幕的影响分析

不同阻渗深度帷幕条件下的漏渗量见表4。基于深度帷幕差异的坝体日总漏渗量变化曲线见图7。表4数据和图7曲线揭示，随着阻渗帷幕的加深坝体漏渗量对应伴随下降，但随着帷幕加深漏渗量的下降，当坝基深度帷幕达20 m后，相应的继续缓减开始变得不再明显，显示深度帷幕值取20 m的设计选择相对合适。

表4 不同阻渗深度帷幕条件下的漏渗量

续表4

图7 基于深度帷幕差异的坝体日总漏渗量变化曲线

3.2 阻渗帷幕透渗常数的影响分析

3.2.1 扬压力基于阻渗帷幕透渗常数的影响分析

阻渗帷幕透渗常数差异影响下的帷幕后扬压力折减常数关系曲线见图8。由图8可以知道，帷幕在k<5.0×10-7cm/s阻渗帷幕透渗常数时，可以发挥良好的阻渗作用；在k>5.0×10-7cm/s阻渗帷幕透渗常数时，随着透渗常数的加大，扬压力折减常数对应变大，坝基扬压力基于阻渗帷幕的调解作用相对越来越弱，显然对维持坝身稳定状态极其不利。

图8 阻渗帷幕透渗常数差异影响下的帷幕后扬压力折减常数关系曲线

3.2.2 漏渗量基于阻渗帷幕透渗常数的影响分析

不同阻渗帷幕透渗常数条件下的漏渗量见表5，基于帷幕透渗常数差异的坝体日总漏渗量曲线见图9。从表5数据和图9曲线可以看到，漏渗量在k<5.0×10-7cm/s阻渗帷幕透渗常数区间降低显著，表明帷幕这时可以发挥良好的阻渗作用。案例坝基工程采取1.5×10-7cm/s阻渗帷幕透渗常数，显然阻渗帷幕透渗常数的选择适合工程安全设计需求。实测漏渗量与计算漏渗量属于同一量级且复合度良好。

表5 不同阻渗帷幕透渗常数条件下的漏渗量

图9 基于帷幕透渗常数差异的坝体日总漏渗量曲线

4 结 论

本研究针对坝基阻渗敏感性基于透渗常数与阻渗深度帷幕的影响状态进行了有限元数理模拟计算分析。主要结论如下：

1) 随着阻渗帷幕的加深坝体漏渗量对应伴随下降，但随着帷幕的加深漏渗量的下降，当坝基深度帷幕为20 m后，相应的继续缓减开始变得不再明显，显示深度帷幕值取20 m的设计选择相对合适。

2) 漏渗量在k<5.0×10-7cm/s阻渗帷幕透渗常数区间降低显著，表明帷幕这时可以发挥良好的阻渗作用。案例坝基工程采取1.5×10-7cm/s阻渗帷幕透渗常数，显然阻渗帷幕透渗常数的选择适合工程安全设计需求。反之，基础浅部用固结灌浆替代帷幕灌浆，因为局部阻渗帷幕没有做好，案例工程在库水位大于166 m后，阻渗帷幕将无法起到较好的阻渗作用。