邓理想， 吴俊杰， 王 景

（新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

目前，我国是世界上覆盖层防渗形式采用防渗墙最多的国家，无论是深度、规模、材料、速度、工艺等方面都已达到国际先进水平。 然而，覆盖层上修建水闸的渗流问题是工程安全运行最重要的因素之一，如果地基渗流控制不当会导致闸坝发生渗流事故和破坏，从而诱发重大质量安全事故[1-4]。据统计，近40 年，由于深厚覆盖层上建筑物变形控制不当最终使得混凝土防渗墙、 铜止水产生破坏后失事的水闸和大坝， 约占失事工程的25%[5-7]，另据不完全统计，国外建于软基及覆盖层上的水工建筑物， 约有一半事故是由于上述关键部位破坏后，导致坝基逸出点渗透破坏、沉陷太大或滑动等问题[8-10]。 本工程在设计阶段采用混凝土防渗墙进行全断面防渗， 但是防渗墙及连接段铜止水好坏决定了整个工程能否安全运行，因此，评价防渗墙及铜止水的有效性对整个工程安全运行至关重要[11-15]。

本文采用大型商用软件ABAQUS， 该软件被广泛地认为是功能最强的有限元软件， 其渗流模块能够求解多孔介质的饱和渗流、 非饱和渗流及二者的混合问题[16，17]。 计算过程中可以考虑流体重力的作用， 并能够求解流体总体的孔隙压力或超孔隙压力， 渗透定律可采用达西定律或更广泛的非线性定律。 为保证工程后期安全运行，泄洪冲沙闸防渗墙需要进行破坏程度敏感性分析， 根据以往实际工程应用及工程经验， 通过设计7 组方案建立的泄洪冲沙闸、连接板、防渗墙、护坦的三维渗流有限元计算模型， 当防渗墙破损率达到2%、5%、30%时，采用等效系数法控制防渗墙渗透系数模拟防渗墙破损情况。 同时，闸井与连接板间铜止水也是本次渗流安全分析所考虑的对象， 担心基础变形过大有可能破坏铜止水，因此，方案5、方案6、方案7 针对铜止水破坏后并与防渗系统破坏后组合形成最不利工况， 评价坝基渗透稳定性的影响。

1 工程概况

ZG 水电站是叶尔羌河干流阿尔塔什以下河段水电规划梯级开发中的第1 级电站， 为引水式电站，其上游为阿尔塔什水利枢纽，下游为恰木萨水电站。 ZG 水电站位于新疆喀什地区莎车县霍什拉甫乡境内，拦河枢纽距厂房9km，厂房距莎车县约97km。 目前工程区右岸沿现有道路可达莎车县霍什拉甫乡， 霍什拉甫乡现有道路与卡群水电站连接可至莎车县、泽普县；工程区左岸利用甘加特沟道路可达阿尔塔什进场道路，可至莎车县；左右岸施工对外交通比较便利。

泄洪冲沙闸共设20 孔胸墙式水闸，孔口尺寸4.0m×4.0m（宽×高）。坝0+344.88m 至坝0+456.58m段共布置18 孔， 采用三孔一连， 结构长度为18.6m，共分为6 个结构段。 坝0+519.20m 至坝0+533.00m 段布置2 孔。闸进口底板高程1 595.00m，闸顶高程1 614.30m。 考虑闸门启闭空间及闸墩顶部交通等因素，闸室长度取21m，为C25、F300 钢筋混凝土结构，底板厚2.0m，中墩厚1.8m，三孔一连闸室边墩厚1.5m，两孔一连闸室边墩厚2.0m，泄洪冲沙闸标准横剖面图如图1 所示。 泄洪冲沙闸防渗系统为防渗墙+连板板+闸室， 防渗墙深度覆盖层底部入岩1m，具体防渗结构大样如图2 所示。

图1 泄洪冲沙闸标准横剖面图

图2 泄洪冲沙闸防渗系统大样

1.1 基本地质条件

ZG 水电站坝址区位于西昆仑山东部中低山区，叶尔羌河由霍斯拉甫大弯曲转为较顺直段，流向近北东向。 坝址为宽“U”形河谷，左岸有Ⅰ级—Ⅳ级阶地分布，Ⅲ级、Ⅰ级阶地分布不连续，Ⅱ级、Ⅳ级阶地分布相对而言较连续，总体坡度在30°—35°，地形相对较缓。右岸为一北东向延伸的基岩山梁，岸坡自然坡度45°—55°。

其河床坝基段位于现代河床，宽约467m，地形平缓， 河床覆盖层主要由单一成因的冲积砂卵砾石层组成。河床覆盖层厚9—55m，覆盖层未发现连续砂层分布，由上至下可分为二大层，上层为全新统冲积含漂石砂卵砾石层（Q4al），结构密实。下层为中更新统冲积砂卵砾石层（Q2al），多具弱-微胶结，结构密实。 坝基河床覆盖层上部为含漂石砂卵砾石层，颗粒粗大，渗透系数K=6.93×10-2cm/s，下部中更新统冲积砂砾石层厚度9—51m，渗透系数K=5.0cm/s， 属强透水层， 故坝基覆盖层须全断面防渗。 河床覆盖层下伏基岩透水率q≤5Lu 界线埋深为基岩面以下5—31m。 坝基主要持力层上部Q4al含漂石砂卵砾石层厚度3.0—18.0m，承载力标准值0.35—0.40MPa，变形模量40—45MPa，其承载力和变形指标基本满足堆石坝要求； 下部Q2al具弱-微胶结， 承载力标准值0.70—0.80MPa， 变形模量60—70MPa。河床下伏基岩为砂质泥岩、泥晶灰岩、灰岩和砂岩，以软岩为主，结构面不发育，强风化层厚1.5—2.0m。 下伏基岩透水率q≤5Lu 界线埋深为基岩面以下5—31m。 由于坝基河床覆盖层深厚，成因单一，但各层厚度变化大，物理力学性质存在一定差异，根据规范[17]要求坝基覆盖层需要进行沉降变形验算和连接板与泄洪冲沙闸沉降差符合计算。

2 有限元计算

2.1 模型及材料参数边界条件

根据相关规范要求[17]水闸地基在各种运用情况下均应满足渗透稳定的要求。 由于本工程的泄洪冲沙闸位于深厚覆盖层上， 闸室属于轴对称结构，根据泄洪冲沙闸结构和覆盖层等条件，模型向左右岸延伸40m，顺河向上、下游延伸至80m，深厚砂砾石覆盖层55m，向下延伸30m 至基岩层，左右两侧及底部为为不透水边界， 在确定上述模型边界下， 建立本工程泄洪冲沙闸段的三维有限元网格模型， 建立三维渗流有限元网格模型用于渗流计算分析，采用等效渗透系数法拟定7 组方案，通过改变各自区域的渗漏系数来反应防渗墙破损程度。 结点总数为20 688 个，单元总数为14 887 个。护坦结点总数为1 806 个， 单元总数为1 220 个，防渗墙结点总数为2 184 个，单元总数为1 500，以上所有单元类型均为C3D8P 渗流应力单元， 有限元网格模型和网格剖分如图3 所示。

图3 泄洪冲沙闸段模型的有限元离散图

根据规范要求查的本工程粗细粒的区分粒径df计算为：

式中：df为粗细粒的区分粒径特征值，d70为小于70%的最大粒径值，d10为小于10%的最大粒径值。

查颗粒平均曲线图得出的pc=24%， 小于25%，坝基砂卵石的渗透破坏形式为管涌型。 覆盖层临界水力坡降（Jcr）如下：

式中：Jcr为临界水力坡降，Gs土粒比重，n孔隙率，d20为小于20%的最大粒径值，d5为小于5%的最大粒径值。

分别控制黄原胶添加量0.05%，0.10%，0.15%；CMC添加量为0.05%，0.10%，0.15%；黄原胶：CMC（1∶1） 添加量为0.05%，0.10%，0.15%，研究其对酸奶凝固性的影响，确定最佳稳定剂。

另取样2 组进行室内渗透试验， 其临界坡降为0.12—0.16，结合经验类比，建议坝基上的允许水力比降为0.1。模型中混凝土、Q4 砂卵砾石层、弱风化基岩、微风化基岩渗流计算参数如表1 所示。

表1 模型材料参数表

2.2 敏感性分析方案设置

为保证工程后期安全运行， 泄洪冲沙闸防渗墙需要进行破坏程度敏感性分析， 根据以往实际工程应用及工程经验， 采用等效系数法控制防渗墙渗透系数模拟防渗墙破损情况， 即防渗墙破损2%、5%、30%时，防渗墙按照5lu、10lu、100lu 控制。

方案1：作为满足设计要求的基本对照方案。

方案2、方案3、方案4：考虑变形过大或施工质量等问题导致混凝土防渗墙不同程度的破坏。

方案5、方案6：考虑铜止水导致混凝土防渗墙不同程度的破坏，制定了单因素影响方案。

方案7：考虑极限破坏工况（防渗墙遭到最大破坏同时两道铜止水全破坏），制定方案。

具体敏感性分析方案设置如表2 所示。

表2 敏感性分析方案

2.3 数理统计方法

本工程砂砾石覆盖层较厚， 计算总深度为覆盖层55m，向下延伸30m 至基岩层，通过计算7 组方案的三维渗流分析确定防渗墙、 连接板铜止水关键部位如果破坏后， 产生的渗漏问题对闸室底部覆盖层浸润线及其下游出逸点的位置及出逸比降的影响。

通过三维稳态渗流公式计算闸室覆盖层在正常蓄水位不同敏感性下基础的渗流稳定性， 渗流量、下游出逸点及基础渗透比降。 当不考虑液体与土质材料的压缩性时， 三维各向异性非均质介质的稳定渗流方程如下式[18]：

在三维渗流场的计算分析过程中， 主要采用以下三种边界条件：

（1）初始条件给定，给定水头Γ1：H=H0；

（2）不透水边界条件Γ2：∂H/∂n=0；

（3）出渗面Γ3：H（x，y，z）=z（x，y），∂H/∂n＞0

式中，n为边界外法线方向。

3 结果与讨论

计算结果见表3 通过分析可知，方案1—方案4 随着防渗墙破损程度越大，闸室覆盖层基础渗漏量不断加大， 下游逸出点最大水力梯度也有所增大，但当防渗墙破损程度等价到100Lu 时下游逸出点最大水力梯度0.024，小于允许比降0.1 的要求。

表3 不同方案下大坝渗流量

方案5—方案6 是当不考虑防渗墙破损时，闸室与连接板之间的铜止水逐一破坏时， 闸室覆盖层基础渗漏量不断加大， 下游逸出点最大水力梯度也有所增大，但当两道铜止水全部破坏后，下游逸出点最大水力梯度0.109，此时，大于允许比降0.1 的要求。 表明铜止水全部破坏对闸室的渗透稳定性比防渗墙破损要严重。

方案7 为了考虑极端工况， 即由于施工期影响因素或后期基础沉降大变形影响， 防渗墙与铜止水全部破坏后，此时，闸室覆盖层基础渗漏量剧增是方案1 的174 倍， 下游逸出点最大水力梯度也有所增大为0.119，大于允许比降0.1 的要求。

从计算成果可知， 本工程防渗墙单独破损达到30%后等价渗透系数为100Lu 时， 闸室渗透稳定性不会受到致命影响。 基础变形如果过大导致铜止水全部破坏即方案6 时， 闸室渗透稳定性不满足要求。 当遇到极端情况时即方案7 条件下，由于施工期影响因素或后期基础沉降大变形影响，防渗墙与铜止水全部破坏后，如图4 所示，闸室与防渗墙连接部位等水头等势线宽松， 表明漏水量加大； 如图5 所示， 当方案7 极端工况时防渗墙后、 闸室与防渗墙连接板下孔隙压力等值线图压力增大。 如图6 所示，当方案7 极端工况时闸室与防渗墙连接部位流速最大， 下游出逸点渗透稳定性不满足要求，因此，闸室防渗系统对整个闸室稳定性至关重要。

图4 方案7 正常蓄水位泄洪冲沙闸基础水头等势线（单位m）

图5 方案7 正常蓄水位泄洪冲沙闸基础孔隙压力（单位KPa）

图6 正常蓄水位泄洪冲沙闸基础流速矢量场 （单位m/s）

4 结论

深厚覆盖层上防渗系统的安全运行对整个工程至关重要，通过建立本工程泄洪冲沙闸、护坦、连接板、防渗墙的三维模型，通过有限元渗流计算分析防渗墙挡水性能完整性， 评价整个防渗系统中不同部位破损后对闸基渗透稳定性的影响及关键程度，本次防渗系统中混凝土防渗墙，连接板铜止水的破损程度对工程整体的防渗效果影响都比较大， 但2 道铜止水的破坏及极限破坏组合对闸室渗透稳定影响最大且不满足要求，因此，合理控制基础不均匀沉降， 可减小防渗墙因大变形产生的破坏及铜止水大沉降差， 从而确保工程的安全运行，依此，为同类型工程设计提供借鉴。 □