水库围堰防渗墙设计下三维流场影响研究

张 玮

（济南市水政监察支队，山东 济南 250000）

防渗墙是水库坝体、水电站、河道堤防等水工设施中常用的防渗结构[1-3]，其设计效果对水工建筑的运营稳定性具有重要意义。防渗墙自身结构参数、工程运营荷载等均会影响防渗效果，从而导致水工建筑出现渗漏等防渗失效现象[4，5]。邓佳等[6]、刘菊莲[7]为研究防渗墙结构与水工建筑的适配性，采用Fluent 模拟了防渗墙不同设计方案下运营工况，探讨了防渗墙设计工艺对水工设施的流速、压强等水力参数影响，评价了防渗墙设计合理性，对提升水工结构设计水平有参考价值。防渗墙作为一种水工结构，其静、动力响应特征也是设计方案需考虑的问题，张富有等[8]、唐友山等[9]采用数值仿真计算方法，分析了防渗墙结构应力、位移以及动力响应特征影响变化，在考虑结构静、动力场安全下遴选最优方案。水工建筑中流固耦合环境较为常见，防渗墙自身所处工程环境亦是如此，王正成等[10]、高江林等[11]通过引入流固耦合场控制理论，对闸门、闸站以及防渗墙等水工结构开展了流固耦合分析，揭示了流固耦合叠加作用下水工结构的应力、位移以及三维流场变化，贴合了工程运营实际，丰富了实际工程设计参考成果。为研究蒙阴水库围堰防渗墙设计，引入渗流-应力场耦合迭代求解方法，探讨了防渗墙不同厚度下围堰流态、流场影响变化，评价设计方案的合理性。

1 概况

1.1 工程情况

作为临沂地区重要供水中枢，蒙阴水库承担着防洪、排涝、农业灌溉以及水利发电功能，建设运营年限超过20 a，拦截上游孟河形成Ⅱ级水库，最大库容量超过1 000 万m3，有力支撑了地区输供水效率。在临沂境内，不仅存在蒙阴水库，还存在杏子山水库等中小型水库，它们构建起完善的梯级水库调节枢纽，保障了极端干旱天气的防旱抗旱工作。根据水利部门统计，从2022年6月上旬至8月，席卷全国的高温天气使临沂地区出现严重旱情，通过蒙阴水库、上峪水库等多个梯级水库调节水位，仅7 月供应水资源量超过800 万m3，极大缓解了孟河流域下游农业生产缺水问题。另一方面，虽蒙阴水库在2022 年夏秋季防旱抗旱工作中发挥了重要作用，但从中发现了水库部分运营问题，如运营泄流量低于设计值，部分堆筑坝渗透坡降较大，地表径流较活跃，监测获得最大渗透坡降可达0.24，且溢洪道泄槽段出现局部壅流、漩涡等现象，泄流效率较低，消能水平较差等。为此，水利部门计划先期对蒙阴水库开展病险调查，目前蒙阴水库为心墙堆筑坝与部分混凝土重力坝组合形式，最大坝高为45 m，全坝轴长为782 m，坝体高度分布为22～45 m，出现渗流活跃区域坝段并未设置防渗墙结构，仅有防渗面板等防渗体系。泄洪闸位于心墙坝右侧，采用主、次锚索与钢绞线作为闸墩支撑加固结构，如图1（a）所示，闸底板厚度为0.4 m，底板防渗性能也较差，泥沙淤积等较严重，这也是影响水库泄流运营较低的重要原因。从初步现场调查和资料分析，考虑在泄洪闸下游新建挡墙结构，减弱下游非稳定水流产生，其设计立面如图1（b）所示，且可抑制背水侧坝坡突涌、流土等。溢洪道加固设计如图2所示，堰型为WES曲面结构，进水口有控制段、反弧段等，溢流段坡度为1∶0.75，消力池轴长为9.5 m，反弧段为53.13°，相关的掺气坎、底坎等消流构件在室内模型中运营效果较佳，设计采用围堰导流施工方法，解决溢洪道和坝体防渗结构施工问题。水利部门综合分析蒙阴水库坝体以及溢洪道除险设计，认为围堰导流应用优势较大，但堰体以及坝体的防渗乃是重中之重，必须提高坝体防渗能力和降低围堰渗漏量等。为此，设计部门针对蒙阴水库围堰设计，开展防渗结构体系设计研究。

图1 部分工程设计

图2 溢洪道设计

1.2 建模设计

防渗墙乃是围堰防渗结构体系中重要组成，其参数设计与围堰流态、流场特征密切相关，探讨其结构设计，有利于在防渗安全与设计经济合理性之间寻到平衡。根据蒙阴水库坝体设计，围堰轴长为650 m，包括有不同程度风化的基岩、堆筑区、土工防渗膜、防渗墙以及其他土性堆筑区，按照分区分模块建模要求，建立了围堰计算模型，如图3所示。该模型中共有11个分区，与实际工程堰体剖面设计一致，如Ⅵ区为防渗墙体，Ⅸ～Ⅺ均为灰岩基岩层，按照基岩风化程度分为强风化层、弱风化层、微风化层，厚度分别为10、20、40 m，模型深度影响范围设定至微风化基岩面。按照建模要求，本模型为液固二相体组成，顶、底面分别为法向单向自由度以及无自由度设计，全模型通过沉降位移控制边界。计算中基岩、堆筑料等岩土体物理力学参数均以室内力学试验取值，如堆筑料中粉砂黏聚力为25 kPa、粉质壤土粒径为0.8～3.2 mm。

图3 围堰计算模型

围堰防渗结构体系中土工防渗膜作为已有防渗结构，位于图3模型的Ⅰ区，模型中其渗透系数取值为1×10-9m∕s，厚度为2 mm。其控制渗流量按照下式确定[4，12]：

式中：qg、kg分别指单宽渗流量（m2∕s）、渗透系数（m∕s）；i指渗透坡降；ΔHg、Tg分别指水头差（m）、墙体厚度（m）。

单独提取获得土工防渗膜模型与防渗墙模型，如图4所示，两者作为围堰体防渗组成，计算网格划分时网格分布密度均高于其他区域。根据统计，防渗膜模型共有网格单元13 628 个、节点数9 827 个，防渗墙独立模型共有网格单元28 637 个、节点数22 634 个。计算围堰上、下游水位按照蒙阴水库运营期确定，分别为32.5、5.5 m。

图4 防渗结构模型

由于研究工况中存在渗流场-应力场（流固场）耦合情况，本文引入渗流-应力两场耦合平衡方程，见下式[10，13]：

式中：[K]指刚度矩阵；{δ} 指位移矩阵；{F} 指荷载矩阵；{Fs} 指渗流场作用力矩阵。

基于上述几何物理方程联解，获得耦合场流体运动控制方程变化，见下式：

式中：[K]指刚度矩阵；{Δδ} 指位移增量矩阵；{ΔF} 、{ΔFs} 分别指荷载增量矩阵、渗流场作用力增量矩阵；[k]指渗透系数矩阵；{h} 指水头差矩阵；[S]指流量矩阵；{f}指常数矩阵；[D]指流体运动模量矩阵；[B]指流体运动尺寸矩阵；σ指应力（Pa）；ε指应变，无量纲；t指运动时间（s）。

以耦合场控制方程式（3）—（5）为基础，在仿真计算平台上完成多次迭代求解，从而获得相应的渗流解。在考虑防渗墙设计参数的前提下，围堰三维流态、流场均会与参数变化息息相关，而防渗墙设计参数涵盖了入岩深度、厚度、灌浆料类型等，在防渗墙入岩深度至弱风化基岩面的前提下，对其厚度设计参数开展对比研究，灌浆料均为C30水工混凝土。研究方案设定防渗墙厚度为0（无防渗墙）、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 m 共7 个方案，研究防渗墙不同厚度对围堰三维渗流场影响，评价设计方案的合理适用性。

2 防渗墙设计对围堰流态特征的影响

为研究防渗墙设计对围堰三维渗流影响，基于渗流-应力耦合场计算，获得围堰体水头线流态特征，如图5 所示。从图5 可以看出，在无防渗墙设计下，堰体内水头等值线聚集区位于坝脚溢出点，表明堰体迎、背水侧之间形成了一道较高水头差，集中有较大水力势能，有助于堰体内渗透通道贯通，导致堰体内径流活动加剧。当增设防渗墙后，相应的水头等值线密集区迁移至防渗墙底部，下游背水侧堰坡内无较多水头分布，即防渗墙成为迎、背水侧之间的“挡水板”，限制了迎、背水侧之间的渗流活动，在堰体内呈现较好防渗效果。由此可知，增设防渗墙对堰坡渗透特性具有较好抑制效果[6，14]。

图5 流态特征

无防渗墙、防渗墙厚度0.4 m下堰体孔隙水压力分布特征，如图6 所示。依据图6 中流态特征可知，无防渗墙时，孔隙水压力等值线在堰体迎、背水侧分布均匀，从坝顶至坝底逐步递增，最大孔隙水压力可达1 000 kPa，堰坡内孔隙水压力分布反映了渗流活动较稳定、均匀。增设防渗墙后，堰体内迎、背水侧孔隙水压力分布具有突变特征，如迎水侧800 kPa等值线在下游突变成200 kPa，孔隙水压力突变点位于防渗墙底部，即迎水侧较高孔隙水压力经防渗墙后均发生突变，在背水侧分布有较小孔隙水压力。分析认为，防渗墙渗透系数较之堰坡内堆筑料低了4～5 个量级，渗流活动经防渗墙后会形成止水帷幕，降低其渗透活动，因而表现出孔隙水压力分布突变特征。

图6 孔隙水压力特征

3 防渗墙设计对围堰流场特征的影响

从防渗墙与围堰耦合场流态特征可知，增设防渗墙结构，有助于提高堰坡内防渗能力，降低渗流活动。因而，防渗墙厚度设计较为关键，根据围堰导流量设计有150、200、250 m3∕s 3个研究工况，探讨防渗墙厚度参数设计方案。

3.1 单宽渗流量

依据围堰3 个导流工况，计算获得堰坡单宽渗流量影响变化特征，如图7 所示。分析图7 中单宽渗流量可知，导流量愈大，单宽渗流量愈高，在无防渗墙方案中，导流量150 m3∕s 工况下单宽渗流量为6.7 m2∕s，而导流量200、250 m3∕s 工况下单宽渗流量较前者分别提高了33.2%、58.4%。当增设防渗墙后，如防渗墙厚度为0.4 m，后者两导流量工况单宽渗流量分别为6.1、7.5 m2∕s，较之前者导流量150 m3∕s工况下分别提高了27.5%、53.2%。对比可知，增设防渗墙后，不同导流量工况下单宽渗流量差异缩小。

图7 单宽渗流量与防渗墙厚度变化关系

对比同一导流量下单宽渗流量变化可知，随防渗墙厚度递增，单宽渗流量呈先减后增变化，最低为墙厚度0.8 m 方案。导流量150～250 m3∕s 下单宽渗流量分别为2.36、2.83、3.4 m2∕s。当墙厚度低于0.8 m时，导流量150 m3∕s 工况、墙厚度0.4 和0.6 m 下单宽渗流量分别为4.88、3.5 m2∕s，墙厚度0.8 m 单宽渗流量较之前两者分别下降了51.7%、32.4%，随墙厚度梯次0.2 m 变化，单宽渗流量平均下降了30.4%；但墙厚度为1.0、1.2、1.4 m 时，相应的单宽渗流量分别为2.87、4.2、5.5 m2∕s，较之墙厚度0.8 m 单宽渗流量分别增大了21.6%、78%、133.6%，在墙厚度超过0.8 m后，随墙厚度0.2 m 的变化，单宽渗流量平均可提高33.1%。当导流量增大至200、250 m3∕s 后，单宽渗流量随防渗墙厚度变化仍是如此。笔者认为，增大防渗墙厚度，有助于增大止水帷幕宽度，对堰坡内渗流活动限制作用更强；但不可忽视的是，墙厚度持续增大，其自身占据风化基岩层的空间更大，对基岩风化层、扰动层影响更大，在渗流-应力场耦合作用下易造成堰坡突涌、壅流等非稳定渗流活动[1，15]，因而呈现单宽渗流量在墙厚度0.8 m后陡增的现象。

3.2 渗透坡降

基于耦合场三维渗流计算，获得防渗墙底部渗透坡降影响变化，如图8所示。由图8中渗透坡降影响特征可知，导流量愈大，渗透坡降愈大，导流量250 m3∕s 工况下7 个方案中渗透坡降分布为18.93～63.2，而导流量150、200 m3∕s工况下渗透坡降较前者分别下降了29.6%～38%、11.5%～18.8%。防渗墙厚度与渗透坡降具有负相关特征，且降幅在墙厚0.8 m 后减小；导流量150 m3∕s 工况、墙厚度0.4 m 下渗透坡降为25.7，而墙厚度0.6、0.8 m 较前者分别下降了24.9%、46.2%，随墙厚度0.4～0.8 m 变化，渗透坡降平均降幅为26.6%，而在墙厚度1.0、1.2、1.4 m下渗透坡降总共降低了6.8%，平均降幅为3.6%，在墙厚度1.4 m 下渗透坡降为12.4。当导流量增大至250 m3∕s 后，渗透坡降随墙厚度变化实质上仍是如此，在墙厚度0.8 m 后具有降幅减缓特征。由此可知，墙厚度参数并不是一定要最大，而是要合理即可，在模型计算结果中，墙厚度0.6 m 后渗透坡降实质上低于安全允许值30，当墙厚度为0.8 m 时三维流场特征处于最优状态，故选择该方案为最适方案。

图8 渗透坡降与防渗墙厚度变化关系

4 结论

（1）无防渗墙下堰坡下游聚集较多水头线，径流活动较强，孔隙水压力在迎、背水侧均匀稳定；增设防渗墙后，堰坡内水头线集中区迁移至墙底部，孔隙水压力也在墙底部发生突变，防渗墙存在能有效限制堰坡内渗流活动。

（2）围堰导流量愈大，堰坡单宽渗流量愈高，增设防渗墙能减小不同导流量工况下渗流量差异；防渗墙厚度递增，渗流量呈先减后增变化，最低为厚度0.8 m 方案，导流量150、200、250 m3∕s 工况下渗流量分别为2.36、2.83、3.4 m2∕s。

（3）导流量愈大，防渗墙底部渗透坡降愈高，导流量150、200 m3∕s 工况下渗透坡降较250 m3∕s 下分别下降了29.6%～38%、11.5%～18.8%；墙厚度增大，渗透坡降减小，且在墙厚度0.8 m后降幅减缓，导流量150 m3∕s 工况下墙厚度0.4～0.8 与1.0～1.4 m 的渗透坡降随墙厚度0.2 m增大变化分别平均下降了26.6%、3.6%。

（4）从耦合场流态、流场特征考虑，防渗墙厚度0.8 m为最适方案。