防渗墙质量缺陷对心墙坝渗流场影响分析_李方志.pdf

四 川 水 利2023.No.3防渗墙质量缺陷对心墙坝渗流场影响分析李方志1，于家傲2(1.龙口市住房和城乡建设管理局，山东 烟台，265711;2.河海大学水利水电学院，南京，210098)【摘要】为研究坝基防渗墙质量缺陷对心墙坝渗流场的影响，针对某覆盖层上的高心墙坝开展三维有限元渗流分析。考虑防渗墙倾斜开叉和随机缺陷两种情况，基于非稳定的饱和非饱和渗流理论对心墙坝的渗流场进行了计算。计算结果表明:防渗墙倾斜后易导致底部开叉并形成贯通裂缝，导致局部范围内渗透流量和渗透坡降的增加;防渗墙质量的随机缺陷会降低防渗系统的整体性和局部挡水能力，进而造成缺陷单元周围渗透坡降的改变。模拟方法和计算成果可为类似工程防渗墙的质量控制和安全评价提供参考。【关键词】砾石土心墙坝防渗墙质量缺陷渗透稳定性中图分类号:TV139.1文献标志码:A文章编号:20951809(2023)030012060引言渗流是水利工程中极为重要的问题之一，也是决定一项涉水工程能否正常运行的关键因素13。现阶段，众多学者对水工建筑物的渗流分析方法进行了相关研究。刘凤茹等4 采用有限单元法，针对某均质土坝典型断面开展了稳定和瞬态工况下渗流场的计算分析;吴博等5 基于饱和非饱和土渗流理论，编写了水位骤降条件下的渗流差分程序对岸墙填土进行了渗流相关分析;岑威钧等6 以某覆盖层上的土工膜防渗石渣坝为例，考虑土工膜缺陷等因素，采用有限元法对大坝及地基开展三维渗流场数值模拟，从而进行防渗安全性的评价;Yang et al7 基于非稳定的饱和非饱和渗流理论，对某覆盖层上抽蓄电站上水库的防渗帷幕进行优化;Zhang et al8 以中国安徽省某水库为例，分析了岩溶条件下水库坝址渗流控制效果的优化设计与评价方法。另一方面，混凝土防渗墙作为一种重要的垂直防渗体，在修建于土基上的水利工程中应用极为广泛。因此有必要采用数值方法研究防渗墙对于建筑物渗流场的影响。高江林等9 采用商业软件 ABAQUS，针对防渗墙轴线与预定轴线交叉的现象，运用二维平面渗流有限元方法进行了研究;刘健等10 基于有限单元法，对某水闸基础防渗墙的防渗效果进行数值分析;周清勇等11 采用商业软件 GeoStudio 对防渗墙存在初始裂缝的情况进行有限元计算，从而分析该缺陷对土石坝渗流与稳定的影响。综上所述，目前工程界针对覆盖层上水利工程基础防渗墙缺陷成因及其渗流影响的探讨尚且较少。因此，本文针对某心墙坝防渗墙质量缺陷的情况，建立了包括大坝整体、基础覆盖层及地质分层的三维有限元渗流模型，基于非稳定的饱和非饱和渗流理论进行计算，进而讨论了防渗墙质量缺陷对心墙坝渗流场的影响。1渗流场基本分析理论1.11.1控制方程控制方程自然状态下心墙坝的渗流现象可归结为非稳定饱和非饱和渗流问题。假定达西定律同样适用于非饱和渗流，则渗流场分析的基本微分方程如下1214:xiksijkr(hc)hcxj+ksi3kr(hc)Q=C(hc)+Sshct(1)212023.No.3四 川 水 利式中，ksij为饱和渗透系数张量;kr为相对透水率，kr(hc)由式(2)计算;hc为压力水头;ksi3为和渗透系数张量中仅和 Z 坐标有关的渗透系数值;Q 为源汇项;C 为比容水度，C(hc)由式(3)计算;为渗流状态选择常数，在非饱和或饱和渗流区分别取 0或 1;Ss为弹性贮水率。kr(hc)=S1/2e1(1S1/me)m2(2)C(hc)=()(hc)=m1m(sr)S1/me(1S1/me)m(3)其中Se=1/1+(hc)m(4)式中，r和 s分别为残余含水量和饱和含水量;为水分特征曲线吸入值的倒数;为指示土壤水分特征曲线梯度的参数，且 m=11/。1.21.2初始条件与边界条件初始条件与边界条件式(1)所示的微分方程的定解条件包括初始条件和边界条件，二者分别如式(5)和式(6)所示:hc(xi，0)=hc(xi，t0)，i=1，2，3(5)hc(xi，t)|1=hc1(xi，t)ksijkr(hc)hcxj+ksi3kr(hc)ni|2=qnksijkr(hc)hcxj+ksi3kr(hc)ni|30 and hc|3=0ksijkr(hc)hcxj+ksi3kr(hc)ni|4=qr(t)and hc|40 (6)式中，t0为初始时刻;hc(t0)为初始时刻的渗流场水头;hc1为已知水头;ni为边界面外法线的方向余弦;qn为已知流量;qr(t)为降雨入渗流量;1、2、3和 4分别为确定水头边界、已知流量边界、饱和逸出边界和非饱和逸出边界。1.31.3渗流量计算方法渗流量计算方法采用中断面法，对通过断面 S 的渗透流量可按照下式进行计算:q=sknhndS(7)式中，kn为 n 方向上的渗透系数;n 为截面法线的单位向量;h 为渗流场的水头;S 可以取为计算域内任意形状的四边形。2工程概况某水电站位于四川省，建成于 2012 年。坝址区多年平均流量为 29.5m3/s，水库正常蓄水位为2540.00m，相应库容为 1.327108m3，工程等级为级大(2)型。水电站主要挡水建筑物为砾石土心墙 堆 石 坝，坝 顶 高 程 2544.00m，坝 顶 宽 度12.00m，坝顶总长 310.14m。坝基覆盖层的最大厚度约为 100m。因此，在覆盖层内浇筑了 1.2m厚的混凝土防渗墙。同时，防渗墙通过灌浆廊道与心墙连接，并嵌入基岩一定距离，以确保形成完整的垂直防渗系统。坝址区第四系不同成因堆积物主要分布于河床和两岸谷坡坡脚地带，地质勘探揭示河床覆盖层厚度 90m102m。根据成因、物质组成与结构特征，河床覆盖层由老到新可分为含砂漂(块)卵砾石层(Qgl+fgl3)、粉质壤土与粉细砂互层(Ql3)、含砂漂(块)卵砾石层(Qal4)、碎砾石土层(Qcol+dl+al4)和含漂卵砾石层(Qal4)五层。为简化建模与计算的工作量，按照透水性的强弱将性质类似的材料进行合并，分为泥质砾石与含砾粗砂两组。坝体典型剖面及材料与地层分区如图 1 所示。(a)0+160m 剖面(b)沿坝轴线剖面图 1坝体典型剖面示意3心墙坝渗流场影响分析3.13.1有限元模型有限元模型在对工程涉及到的水文地质和工程地质等基础资料进行深入而细致的分析和总结的基础上，建立心墙坝三维渗流场计算分析模型。计算坐标31李方志，于家傲:防渗墙质量缺陷对心墙坝渗流场影响分析2023.No.3系原点取为坝轴线与 0+309.4 断面的交点处;X方向为垂直坝轴线方向，以指向下游为正;Y 方向为顺坝轴线方向，以指向左岸为正;Z 轴垂直向上，以实际高程为坐标，最深取到高程 2100m 处。为保证计算模型范围可包括大坝整体及其影响区域，将模型边界截取至左岸坝端外山体约 140m，右岸截取至坝端外山体约 155m;库内上游和下游边界分别截取至距坝轴线 488m 和 512m 处。在综合考虑计算区域内地形、岩层等特征的基础上形成超单元网格，然后加密细分以形成最终的有限元模型。计算模型生成的有限元网格结点总数和单元总数分别为 110013 和 110300 个，如图 2所示。有限元模型中的边界类型包括已知水头边界、出渗边界和不透水边界三种。其中，已知水头边界包括水库蓄水位及下游河道水位以下的坝体上游面、库岸山坡面及下游河岸、河床表面边界，以及给定地下水位的地下分水岭、截断边界;出渗边界包括所有与大气接触的边界，以及地下水位以上的截断边界;不透水边界包括模型底面及四周除已知地下水位以外的截断边界。图 2三维渗流有限元模型3.23.2防渗墙质量缺陷的模拟方法防渗墙质量缺陷的模拟方法3.2.13.2.1防渗墙开叉的模拟方法防渗墙开叉的模拟方法在防渗墙浇筑的过程中，若注浆时槽孔向垂直于防渗墙的方向倾斜，则防渗墙底部将出现开叉现象。当防渗墙的开叉达到一定角度，心墙坝防渗系统内部将产生上下游方向的贯通裂缝。由于裂缝宽度相较于大坝体型一般很小，将实际宽度模拟存在网格剖分的困难，一般采用等效面积法进行模拟。即将贯通裂缝作为多孔介质考虑，并采用具有相对大厚度的单元来表示裂缝，同时将渗透系数相应缩小。例如，若将裂缝宽度放大n 倍，则应将渗透系数相应缩小至 1/n。本文考虑开叉对渗流影响的最不利情况，即相邻的两块防渗墙，一块向上游方向倾斜，另一块向下游方向倾斜，此时开叉部分的面积最大。相邻防渗墙开叉后，二者间的空隙由覆盖层砂砾石(渗透系数 5105m/s)填充。为便于剖分网格，开叉部分采用沿坝轴线方向预设贯通裂缝的方法模拟。假定贯通裂缝的高度与防渗墙开叉高度相等，则裂缝宽度与渗透系数可由等效面积法确定，如下式所示:ke=ksdh2dv(8)式中，ke为预设贯通裂缝的渗透系数;ks为覆盖层砂砾石的渗透系数;dh为顺水流方向防渗墙底部开叉距离;dv为沿坝轴线方向矩形贯通裂缝的宽度。针对图 1 所示心墙坝的基础防渗墙，根据几何尺寸，当相邻两防渗墙向上下游方向开叉的角度均大于 0.385时，它们的底部将完全分离并形成贯通渗漏通道。初步拟定防渗墙的倾斜角度分别为 0.5、1和 2，分析该缺陷对坝基渗流场的影响。防渗墙开叉示意如图 3 所示。(a)开叉角度 0.5(b)开叉角度 1.0(c)开叉角度 2.0图 3防渗墙底部开叉示意3.2.23.2.2防渗系统随机质量缺陷的模拟方法防渗系统随机质量缺陷的模拟方法假定防渗墙的施工工艺不受时间、气候和降雨等因素的影响，其施工质量缺陷沿水平方向(坝轴线方向)随机分布。随机缺陷的模拟方法和步骤如下:首先从计算模型中挑选出所有研究对象单元;然后设定施工缺陷率，再引入随机数的概念按均匀分布进行随机抽样，当所有缺陷单元412023.No.3四 川 水 利体积之和与总体积的比值达到设定的施工缺陷率后停止抽样;最后，修改抽出单元的渗透系数为缺陷单元的渗透系数。防渗墙缺陷率为 1%和 5%的缺陷单元分布如图 4 所示，其中空白区域为施工缺陷单元。(a)缺陷率 1%(b)缺陷率 5%图 4随机抽样的防渗墙缺陷单元分布3.33.3计算参数与工况计算参数与工况三维有限元计算的渗透系数主要根据现场试验成果及类似工程经验参数确定，各分区的材料参数具体取值如表 1 所示。按照防渗墙无质量缺陷进行渗流场计算的工况记为 GK0。表 1坝基及坝体各分区材料设计渗透系数材料名称渗透系数(m/s)材料名称渗透系数(m/s)微新岩体(1Lu3)1.0107上游堆石体1.0104弱透水带(1Lu3)2.5107下游堆石体1.0103中强透水带(Lu3)2.0106反滤层3.4105覆盖层泥质砾石5.0104基础反滤层3.4104覆盖层含砾粗砂5.0105过渡层5.0104混凝土防渗墙4.0109砾石土心墙1.0107防渗帷幕1.0107灌浆廊道混凝土衬砌4.0109土工膜1.01012高塑性粘土1.0108针对防渗墙的底部开叉，假定贯通裂缝宽度为 0.1m，则防渗墙倾斜角度为 0.5、1和 2的情况下开叉部分尺寸、相应的贯通裂缝渗透系数与对应的具体计算工况如表 2 所示。表 2防渗墙底部开叉计算工况计算工况倾斜角度()开叉高程(m)开叉部分高度(m)底部开叉距离(m)裂缝渗透系数(m/s)GK110.52338.0920.520.369.0105GK121.02372.4854.911.924.8104GK132.02389.6872.115.031.3103针对防渗墙质量的随机缺陷，初步拟定防渗墙质量缺陷体积比分别为 1%和 5%，并依次调整缺陷单元的渗透系数，得到具体计算方案如表 3所示。表 3防渗墙随机质量缺陷计算工况计算工况防渗墙缺陷率()防渗墙渗透系数(m/s)缺陷单元渗透系数(m/s)GK2114.01092.0108GK2214.01094.0108GK2354.01092.0108GK2454.01094.01083.43.4计算成果分析计算成果分析3.4.13.4.1防渗墙无质量缺陷的渗流场计算结果防渗墙无质量缺陷的渗流场计算结果为了分析研究不同情况下的防渗墙缺陷对心墙坝渗流场的影响，需要将各工况下渗流场的计算结果