对深厚砂卵砾石透水坝基渗流的控制方案分析

2021-12-22木合塔尔坎吉

水利科学与寒区工程 2021年6期

关键词：砾石坝基渗透系数

木合塔尔·坎吉

(新疆克孜尔水库管理局，新疆阿克苏 842313)

1 数值模型

1.1 稳定渗流场方程及定解

在不考虑水和土自身的压缩性的稳定渗流场归属Darcy′s Law(线性渗流定律)中的二维形式的非均质的各向异性土体渗流，对其的具体有效控制的方程和边界的条件可以使用式(1)～式(2)代表：

(1)

(2)

式中：h(x,z)为实际的需求水头函数；kx、kz为主轴方向为轴的渗透系数；f1为给定水头；f2为给定流量；Γ1为给定水头的边界；Γ2为给定流量的边界；Γ3为自由面；Γ4为溢出段；n为Γ3和Γ4上任一点的法线方向的矢量。

1.2 计算渗流量

计算二维渗流的流量地时经某断面渗流量qi如式(3):

(3)

经渗流域的界面渗流量Q如式(4):

(4)

根据以上表述的相关理论，并根据建立的有限元渗流计算的模型加以计算。

1.3 模型的建立

通过对砂卵砾石坝基的分析，总结其主要具有以下特点：不均匀系统高、颗粒浑圆、间隙由细砂进行填充、局部架空等等。本文主要以小河道的坝基进行分析，以某地的水电站的坝基为分析的实际案例进行探讨。水电站的坝基主要是由砂卵砾石组成，而覆盖层的厚度为19.2 m，坝基属于十分典型的深厚砂卵砾石透水坝基[1]。具体如图1显示的坝基剖面图。

图1 砂卵砾石剖面

通过研究决定拟用三种不同的方案针对水平铺盖和混凝土垂直防渗墙以及联合防渗的工况开展不同的计算分析，具体内容如下：①水平铺盖方案，长度设为L=0 m、10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m。②垂直防渗墙方案，深度设为h=0 m、5.0 m、6.0 m、7.0 m、8.0 m、9.0 m、10.0 m、12.2 m。③联合防渗方案，水平铺盖0～60 m和垂直防渗墙5～10 m。

设置不同的方案主要为分析应用的效果，使用方案①和方案②主要是为分析水平铺盖长度发生变化时渗流场所出现的变化规律，以及垂直防渗墙的深度发生变化时渗流场出现的变化规律。使用方案③的目的是为了分析同时联合使用水平铺盖与防渗墙对渗流场造成的变化影响。在计算时将坝体的渗透系数设为5×10-7m/s、防渗墙的渗透系数设为2.24×10-8m/s、黏土铺盖的渗透系数设1×10-5m/s[2]。计算的剖面选择水电站大坝最宽的位置，因为此位置的渗流最高，最不利于渗流的有效控制。

2 结果和分析

依据上述内容给出的设定对不同的工况防渗与渗流进行研究，图2是垂直防渗坝基的渗流状况，根据模型计算的数据对比不同的方案并分析。

图2 垂直防渗坝基

2.1 渗流场受水平铺盖和混凝土垂直防渗墙的影响分析

根据上述制定的方案对水平铺盖以及防渗墙对渗流的影响。通过对单宽的渗流量q进行计算最终得出结果如下，q伴随L的提高而逐渐减少，由0.092 m3/s减少到0.0543 m3/s，下降百分比达到41.5%。而在曲线的变化中显示呈线性的变化，并且拟合函数L=-6.65×10-4q+0.09，拟合度的因子R2=0.99，由此表明拟合的情况良好。伴随h的不断提高，q则从0.092 00 m3/s逐步地减少，h从0 m提高到10.0 m，此时的q则减少38%。h从10.0 m提高到12.2 m，此时q从0.057 m3/s急速减少到0，进而表明，此时的防渗墙从悬挂式转变成了全封闭式。L=41.66 m，坝基出现的渗流量和h为9.0 m时基本一致，均达到0.062 943 m3/s，而h∶L=1∶4.63，说明1 m 的防渗墙和4.63 m的水平铺盖所表现出的实际防渗效果完全一致[3]。

2.2 渗流场受水平铺盖和联合防渗的影响分析

根据上述③的方案进行计算得出以下结果，h一致时，L提高时的渗流量呈现出线性降低的趋势。并且从模型的分析中显示出拟合斜率从-6.633 71×10-4逐步平衡下降至-3.124 57×10-4。即伴随防渗墙深度的不断提高，渗流量受到联合防渗的水平铺盖长度所造成的影响不断地减少。

2.3 渗流场受垂直和联合防渗的影响分析

通过分析方案③的结果，防渗墙和联合防渗所造成影响具体如下：L一定时，h不断地提高而致使q不断的降低。而L=0时，h从5 m提高至10 m时，q则减少28.7%。同样L=0 m、10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m时，h从5 m提高到10 m，而q下降的百分比则为27.8%和25.5%以及23.5%。而在联合的防渗中显示出，水平铺盖40 m和垂直防渗墙6 m、水平铺盖30 m和垂直防渗墙8 m、水平铺盖20 m和垂直防渗墙9 m 与垂直防渗墙只做10 m防渗时的q完全一致[4]。所以，垂直防渗墙为10 m时与水平铺盖40 m 和垂直防渗墙6 m、水平铺盖30 m和垂直防渗墙8 m、水平铺盖20 m和垂直防渗墙9 m的联合防渗效果完全一致。

3 渗流的控制和讨论

3.1 符合兴利的渗流方案

依据相关的兴利标准和渗透的稳定原则来讲，水电站原防渗方案为水平铺盖30 m，但是遇到洪水后被严重损坏，已不具备防渗的作用。所以，根据水平铺盖30 m的防渗为基准，再与上述结果相结合对不同的方案进行研究，进而选择科学合理且能符合渗流控制的有效方案[5]。

计算方案如下所示：(1)水平铺盖L=30 m、40 m、50 m、60 m。(2)垂直防渗墙h=8 m、9 m、10 m、12 m、18 m。(3)联合防渗：水平铺盖20 m和垂直防渗墙6～10 m、水平铺盖10 m和垂直防渗墙7～10 m、水平铺盖30～60 m和垂直防渗墙5～10 m。根据计算的结果研究分析得出，水平铺盖30 m与垂直防渗墙8 m以及水平铺盖10 m 联合垂直防渗墙7 m的防渗效果基本相同[6]。所以在考虑水平铺盖容易被洪水所破坏，并且在同等的防渗标准下提出推荐使用垂直防渗墙8 m,又或者采用水平铺盖10 m联合垂直防渗墙7 m的方案进行防渗。

3.2 渗流控制分析

(1)采取水平铺盖的方案进行防渗时需要设置防护的措施。增加水平铺盖的长度，提高至60 m或60 m以上，对于容易被洪水破坏的问题可以在铺盖的最末端加设一道防护坎，并在铺盖的上方碾压糙率大的粒径较大的砂卵砾石，以此来降低洪水产生的破坏力。此方案的施工程序十分简便，并且整体的造价低廉。

(2)采取混凝土垂直防渗墙的方案需要较大的贯入度。此方案在对渗流的控制不太显著，但能减少渗透的坡降程度。而垂直防渗墙可以有效消除洪水产生的破坏，在本研究中的防渗选择8～10 m 时，贯入度达到0.5以上，而在工程的投入力度允许下可提高贯入度至0.7，进而确保水电站的效益最高。但是，一般情况下不建议运用此方案，由于小型的水电使用引水发电，在拦水坝和发电站间的距离较远，而河道的地下水被阻断则对生态的环境发展造成十分严重的不利影响[7]。

(3)采取联合防渗的方案表明，垂直防渗墙为10 m时与水平铺盖40 m和垂直防渗墙6 m、水平铺盖30 m和垂直防渗墙8 m、水平铺盖20 m和垂直防渗墙9 m的联合防渗效果完全一致。与垂直防渗墙相比而言，使用联合防渗的方案造价更加低廉，并且防洪的效果远高于水平铺盖，特别是运用水平铺盖40 m和垂直防渗墙6 m的方案投入成本最为低[8]。

通过上述的综合分析表明，针对小河道的深厚砂卵砾石坝基的渗流问题，有效的控制方案必须满足以下几点要求，即环保性高、经济性优、兴利、施工容易等等，并且不宜采取全封闭式的防渗方案，使用水平铺盖的防渗方案应当提高铺盖的长度，并且对其开展周期性的有效监控，进一步保障水平铺盖防渗的实际效果，当被洪水造成一定的部分破坏后应当快速地进行修复。而使用联合的方案进行防渗的控制时制定多种方案供于选择，但建议使用水平铺盖长联合垂直防渗墙短的方案。