土工膜防渗堆石坝渗流场影响因素有限元模拟

黄国毅

（中达（福建）建设服务有限公司,福建 泉州 362000）

1 引言

随着我国水利水电工程的快速发展,大量的土石坝和堆石坝被修建在具有好渗透性的覆盖层地基之上。防渗问题成为影响大坝安全运营最重要的因素之一。温立峰等[1]采用现场实测数据和有限元软件模拟研究了堆石坝地基防渗墙的塑性损伤规律,结果表明,堆石坝可能在底部或靠近两岸部位发生拉伸或剪切失效破坏。张成和牟猷[2]基于现场实测数据,分析了面板堆石坝蓄水期坝基渗流特性,结果表明,采用渗压计实测渗压水位评价坝体安全是一种比较可靠的手段。申艳等[3]采用数值模拟研究了水库结冰对于防渗面板的影响,结果表明,施加冰荷载前后对坝体的应力、应变和位移影响非常小。张西克等[4]研究了泰山水电站堆石坝的渗流特性,结果表明,三维数值模拟可以合理描述堆石坝的渗流特性。张博和李伟[5]以羊曲水电站堆石坝为例,采用有限元模拟了坝体及其坝基的三维稳定渗流场特性。王文姣[6]基于ABAQUS数值有限元,研究了深覆盖层地基面板堆石坝防渗墙应力与变形,结果表明,数值模拟可有效合理地描述坝体的应力应变特性。邵磊[7]建立有限元模型,研究了防渗墙结构的渗流特性,结果表明,水位变化使防渗墙产生顺河向水平挠度,是引起坝体及防渗墙变形的主要原因。付兴友等[8]分析了瀑布沟高堆石坝基础防渗墙监测数据,结果表明,防渗墙工程是确保大坝安全运营最为重要的因素。本文依托某实际堆石坝,采用数值模拟研究影响该坝体渗流特性的关键要素,建立防渗深度和上覆层岩土体渗透系数之间的相关关系。

2 工程概况数值模型

本文研究的堆石坝高56 m,顶宽8 m,坝顶高程2946 m,上游坡比和下游坡比均为1∶1.8。上游正常蓄水位为2945 m。采用1.2 mm复合土工膜进行防水。土工膜下层为0.4 m垫层。坝基表面铺筑2 m厚度的反滤层。覆盖层厚度为110 m,防渗墙厚度为82.5 m。

典型二维有限元模型见图1。划分网格总数和节点总数分别为3950 个和4110 个。模型边界为：上游坝面为给定的水头边界,下游坝面为逸出边界,其余边界为不透水边界。土工膜的渗透系数为1.0×10-9mm/s、垫层和堆石区渗透系数分别为3.0×10-2mm/s和1.0 mm/s,反滤层和防渗墙的渗透系数分别为3×10-1mm/s和1.0×10-6mm/s,覆盖层和基岩渗透系数分别为1.0×10-2mm/s和1.0×10-4mm/s。

图1 堆石坝有限元模型

3 结果与分析

3.1 防渗墙深度影响

为了分析防渗墙深度对坝体渗流特性的影响,本文考虑覆盖层厚度为110 m,防渗墙深度分别为27.5 m、55 m、82.5 m、93.5 m和110 m工况下防渗墙的防渗效果差异性。其中前4种为悬挂式防渗墙,最后一种为截断式防渗墙。图2汇总得到不同防渗墙深度下坝体渗流量、膜后浸润线高度和逸出坡降随防渗墙深度变化曲线。

图2（a）表明,当覆盖层厚度为2.0H（H=55 m,下文沿用该种表达方式）时,总渗流量随防渗层深度增大而减小,当防水墙形式由悬挂式变为截断式时,大坝渗流量发生突变。渗流量的变化均为防渗墙下部绕渗量的减小。图2（b）表明,膜后浸润线高度随防渗墙深度变化规律与图2（a）基本一致。整体看,膜后浸润线高度由5.4 m减小至0.32 m,逸出坡降由0.34 减小至0.02（图2（b））。总体结果表明,防渗墙深度增加会延大渗流路径,增强防渗性能。当防渗墙深度大于0.9H时,渗流量、浸润线高度和逸出坡降降低,可大大提高坝体稳定性。

图2 防渗墙深度对渗流场影响

3.2 覆盖层厚度的影响

考虑防渗墙深度为1.5H,覆盖层厚度分别以0.5H为模数递增,从1.5H增大至6.0H时,覆盖层厚度对大坝渗流特性影响。图3汇总得到不同覆盖层厚度工况下,大坝渗流量、膜后浸润线高度及逸出坡降变化规律。图3（a）表明,渗流量随防渗墙深度增大而增大,由截断式防渗墙的总流量1.7×10-5m3/（s·m）增加至3.9×10-5m3/（s·m）。此外,膜后浸润线高度随覆盖层深度增加而增大（图3（b））,具体表现在,当覆盖层深度为2H时发生急剧增大随后趋于稳定的趋势。最终浸润线高度由0.32 m增大至3.5 m。此外,逸出坡降也表现出相同的趋势,由0.02增大至0.25。总体来看,覆盖层增大对坝体的安全运营不利,但这种影响随着覆盖层深度增大而趋于缓和。

图3 覆盖层厚度对渗流场影响

3.3 覆盖层渗透系数的影响

控制覆盖层厚度为1.5H和2.0H,汇总得到覆盖层渗透系数不同取值时,渗流量、膜后浸润线高度和逸出坡降的变化规律见图4。结果表明,渗流量逸出坡降以及浸润线高度随覆盖层渗透系数增大而增大。以渗流量为例,当覆盖层渗透性由小增大时,大部分渗流量由防渗墙端部扰流而来。当渗透系数由1.7×10-5m3/（s·m）增大至1.6×10-3m3/（s·m）时,对应的流量增大幅度为81.3%～99.4%。此外,浸润线高度和逸出坡降分别增大幅度为0.41 m～9.60 m和0.03～0.50。总体结果表明,覆盖层渗透系数越大,对大坝的安全运营越不利。

图4 渗透系数对渗流场影响

3.4 渗流量控制分析

图2和图3结果表明,防渗墙深度增大或覆盖层深度增大时,总的渗流量发生增大,本节对渗流量控制进行讨论。定义渗流量控制率：

式中：Q为悬挂式防渗墙渗流量；Qmin为无防渗墙对应的总渗流量；Qmax为截断式防渗墙对应的渗流量。

选取不同防渗墙深度下,渗流量控制率和相对防渗深度关系曲线见图5。结果表明采用悬挂式防渗墙时,如果覆盖层渗透系数大于1×10-2mm/s时,必须要增大防渗深度才能有效控制渗流量。以渗透系数为1×10-1mm/s为例,相对防渗深度至少需要达到0.9以上,才能保证渗流量控制率大于75%。反之,当渗透系数较小时,则比较小的防渗深度即可达到较好的渗流量控制效果。以渗透系数为1×10-3mm/s为例,相对防渗深度达到0.4即可保证渗流量控制率大于75%。

图5 渗流量与相对防渗深度的关系

进一步提取出不同覆盖层渗透系数下渗流量控制率达到75%以上的相对防渗深度,绘制出覆盖层渗透系数与相对防渗深度的对数关系曲线见图6,结果表明,两者在对数坐标上满足线性关系,表达式为：

图6 相对防渗深度与渗透系数拟合关系

式（2）表明,对于较深覆盖层上的坝面土工膜防渗堆石坝而言,在测得覆盖层渗透系数后,采用该拟合式可得到渗流量控制率大于75%以上的防渗墙深度。此外,通过防渗墙深度、覆盖层厚度以及覆盖层渗透系数进行渗透控制效果评价。

4 结论

本文基于数值模拟,研究了覆盖层上复合土工膜防渗堆石坝的渗流特性影响因素,得到如下几点结论：

（1）防渗墙深度和覆盖层厚度和对应的渗透系数对坝体的渗透性能影响较大,其中对总渗流量影响最大。一般而言,渗流量随防渗深度增大先缓慢减小而后急剧减小；当防渗墙相对高度大于0.9时,渗流量和浸润线高度明显降低,从而有利于大坝的安全运营。

（2）覆盖层渗透性较大时,需增大防渗墙深度才能起到较好的渗流量控制效果。以渗透系数为1×10-1mm/s为例,相对防渗深度至少需要达到0.9以上,才能保证渗流量控制率大于75%。反之,当渗透系数较小时,则比较小的防渗深度即可达到较好的渗流量控制效果。以渗透系数为1×10-3mm/s为例,相对防渗深度达到0.4即可保证渗流量控制率大于75%。

（3）覆盖层渗透系数与相对防渗深度在对数坐标上满足线性关系,提出的拟合公式可对堆石坝的渗流量控制效果进行评价。