王冠昌，金居平

（浙江禹川勘测设计有限公司,浙江 桐乡 314500）

0 引言

我国大部分地区水电资源丰富,随着国家科技、经济的发展,大量的水利工程应运而生。而这些项目往往难度较大,对设计人员和施工人员的技术水平也是一种巨大的考验。对于规模较大的水利项目往往建立在强度高、承载能力强、抗变形能力强、结构完整的基岩上,但实际上岩体通常都有着裂隙,水分会在这些裂隙中流通会对裂隙形成附加应力,从而降低裂隙的有效应力,对基岩的稳定性造成负面影响[1-3]。大型的水利工程通常建设在变形小,结构完整的基岩上。所以研究岩体渗流对水利工程有着非常关键的作用,众多学者对此也进行了广泛的研究[4-7]。

基于此,为了研究岩体裂隙渗流对水利工程的影响,本研究以某大坝泄水闸为例,根据其基岩的结构特点,通过建立数值模型分析水闸裂隙岩体的渗流情况。

1 大坝泄水闸概况

实体重力坝为某水利枢纽大坝类型,其坝高92 m。所研究泄水闸位于左岸阶地,区域高程为24 m～44 m。郁江阶第D1y1-2 层至第D1y1-4 层和那高岭组的第D1n13-2 至第D1n13-4 层为泄水闸坝基的主要地层。此区域郁江阶岩性主要是灰岩、泥质灰岩,那高岭组岩性主要是泥岩、泥质粉砂岩和含泥细砂岩。岩层产状表现为从下游侧走向N15°～30°E,倾角为22°,倾向SE。主坝区地质构造类型较多,比较复杂,发育又裂隙、断层、褶皱、层面等,但各类型构造的发育程度因地貌单元而异。单斜岩层为主坝区主要类型,产状比较稳定。泄水闸闸坝部位有8 条明显出露的断层,且都和坝轴线相交。通过实地勘测水电站28#、27#、26#坝段的地质情况,发现场地裂隙大部分产状离散,且为陡倾角。

2 离散元渗流模拟

2.1 建立渗流模型

因为裂隙岩体属于非连续介质,所示选择离散元程序来对其进行模拟。由于对水闸坝基岩体的渗流进行三维分析比较困难,并且坝基岩体地质类型较多,结构分布复杂,很难全面地掌握坝基岩体的渗流情况。所以此次研究选择二维模型来对坝基岩体的渗流进行模拟。通过地质勘查报告能够得出28#坝段闸室下部存在一发育的断层,其会对此坝段的渗流状态造成严重的影响,所以此次研究将此坝段作为对象进行模拟,通过离散元软件来对泄水闸和其下部基岩的模型进行建立,模型图见图1。

图1 28#坝段模型图

2.2 选择模型参数

对于岩体参数,主要包括土体抗剪强度、密度等,具体见表1。在进行渗流过程中比较重要的参数有裂隙隙宽ares、裂隙初始隙宽ao和渗透系数kj,参数具体取值见表2,动力学的相关参数为地表和基岩的地震动峰值加速分别为0.171g和0.136g,特征周期均为0.45 s。

表1 岩体和帷幕相关参数

表2 结构面水力学参数

2.3 选择模型参数

选择合适的边界条件能够使模型模拟得出的结果更加准确,对于此次所用模型,因为设置的模型尺寸超过了实际重点研究区,所以在此次所用模型中固定其左右边界和底部边界,将模型的边界速度设置成0。再根据正常蓄水位（上下游水位分别为62 m 和23 m）来设置水压力。离散元软件能够根据实际地震记录值来模拟地震反应,因为不能直接设定边界加速度,所以能够将其转变成应力,并且考虑到在现实中整个项目都会有地震荷载,所以将边界两侧的应力值设置为最大值的一半。

3 分析渗流计算结果

3.1 有无防渗帷幕在无动力作用下的结果分析

此次选择28#坝段模型来计算其有帷幕和无帷幕时的渗流,并根据结果对其防渗帷幕的作用进行分析和验证。模拟选择的工况为大坝处于正常水位（上下游水位分别为62 m 和23 m）,水压施加荷载时都垂直于上下游基岩。因为设置的模型大小要远远大于实际重点研究区,所以在计算时设置边界为不透水边界。对坝段渗流模拟计算后得到裂隙岩体渗流结果,见图2 和图3,图中线段代表模型中渗流的赋存情况。从图2和3能够得出,裂隙岩体渗流大多出现在导水管道中（裂隙、断层等 。渗流在整体上形成一条闭合回路,与渗流在实际工程中的情况相接近。从图3 能够得到,当坝段有帷幕时,与图2 无帷幕裂隙岩体相比其渗流量大大减小,特别是坝底部位的流量减小幅度较大,所以能够得出防渗帷幕有较好的防水效果。

图2 无帷幕时28#坝段渗流模拟图

图3 有帷幕时28#坝段渗流模拟图

从上述模拟结果能够得到,防渗帷幕能够很好地隔绝裂隙岩体的渗流,为了进一步分析防渗帷幕的防渗效果,对其开展定量分析,在坝段布设了一些监测点,因为28#坝段内有一断层F215 穿过,所以在断层左右和内部设置监测点,具体见图4。各监测点中1、4、6、7、8 号点在同一个结构面上,其主要功能是对坝底扬压力进行记录,并通过测得的扬压力来评价渗透压力。同时有无帷幕时的工况相类似,所以监测点在有帷幕时的布置未发生改变。有无帷幕时28# 坝段流量比较图见图5（a）。从图中能够看出,模型中未设置防渗帷幕时,监测所得流量最大值、最低值和平均值分别是2.7×103m3/s、1.67×103m3/s 和2.27×103m3/s；模型中设置防渗帷幕后,监测所得流量最大值、最低值和平均值分别是2.13×103m3/s、1.12×103m3/s 和1.73×103m3/s,结构面内的流量平均值缩小至0.54×103m3/s,降低幅度达23.3%。图5（b）为28#坝段有无帷幕时各监测点测得模型最终收敛时的扬压力比较结果。从图5（b）中能够得出,有帷幕时的扬压力要低于无帷幕工况,7 号测点位于帷幕左侧,所以无论帷幕是否存在,其数值都相同。同时有帷幕时和无帷幕时的平均扬压力值分别为0.43 MPa 和0.56 MPa,前者与后者相比降低了近30%。从图5（b）能够得出,8 号监测点的扬压力明显低于其余监测点,对此现象进行分析发现8 号监测点位置处于断层内部,继而得出地下水流过断层中的裂隙,且断层中存在断层泥,减小了断层内的裂隙宽度,从而导致渗流量和扬压力减小。

图4 28#坝段监测点布设情况

图5 28#坝段各监测点扬压力、渗流量对比图

3.2 分析动力作用下渗流变化情况

选择28#坝段模型来对其动力作用下渗流的变化进行计算,模拟所选工况为大坝处于正常水位（上下游水位分别为62 m 和23 m）,图6 和图7 为裂隙岩体在有动力荷载时的渗流情况。图中线段代表模型中渗流的赋存情况。从图6 和图7 中能够得到,裂隙岩体渗流大多出现在导水管道中（裂隙、断层等）。渗流在整体上形成一条闭合回路,与渗流在实际工程中的情况相接近。但无论动力作用是否存在,渗流场区域均未发生明显变化,表示裂隙岩体渗流情况基本不会受到动力作用的影响。

图6 无动力作用时28#坝段渗流模拟图

图7 有动力作用时28#坝段渗流模拟图

从图6 和图7 中能够得出,加上动力荷载后使渗流量表现出略微增大,因此为了深入分析裂隙岩体是否会被动力作用影响,选择图4 布设的监测点来对其扬压力进行分析。

有动力作用时28#坝段流量比较图见图8（a）。从图8（a）中能够得出,加上动力荷载能够明显增大渗流量,渗流量在无动力工况和有动力工况的平均值分别为2.13×10-3m3/s和2.66×10-3m3/s,提高了近19.9%。图8（b）为28#坝段有无帷幕时各监测点测得模型最终收敛时的扬压力比较结果。从图8（b）中能够得出,扬压力在有动力荷载时较大,且扬压力在有帷幕工况和无帷幕工况下的平均值分别为0.743 MPa 和0.589 MPa,增加近20.7%。综上所述,能够得出当结构面中孔隙水压力显著提高时,表示外部荷载会对岩体裂隙造成一定的影响,使其出现体积应变,继而增大了孔隙水压力。

图8 有无动力时28#坝段各监测点渗流量和扬压力对比图

4 结论

本研究以某大坝泄水闸为例,根据其基岩的结构特点,通过建立数值模型分析了水闸裂隙岩体的渗流情况,得出以下结论：

1）未设置防渗帷幕时,监测所得流量最大值、最低值和平均值分别是2.7×103m3/s、1.67×103m3/s 和2.27×103m3/s；模型中设置防渗帷幕后,监测所得流量最大值、最低值和平均值分别是2.13×103m2/s、1.12×103m2/s 和1.73×103m3/s,结构面内的流量平均值减小了0.54×103m3/s,减小了23.3%。

2）有帷幕时的扬压力要低于无帷幕工况,有帷幕时和无帷幕时的平均扬压力值分别为0.43 MPa 和0.56 MPa,前者与后者相比降低了近30%。

3）加上动力荷载能够明显增大渗流量,渗流量在无动力工况和有动力工况的平均值分别为2.13×10-3m3/s 和2.66×10-3m3/s,提高了近19.9%；扬压力在有帷幕工况和无帷幕工况下的平均值分别为0.743 MPa 和0.589 MPa,增加近20.7%。