王 碩， 沈振中,2， 姬 陽(yáng)， 孫一清,2， 張文兵,2

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 江蘇 南京 210098； 2.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210098)

1 研究背景

水能資源作為一種高效清潔能源，長(zhǎng)久以來(lái)在我國(guó)的能源發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃中發(fā)揮著重要作用。隨著我國(guó)水電工程建設(shè)的不斷發(fā)展，在復(fù)雜地質(zhì)條件上修建水庫(kù)大壩已經(jīng)成為水電能源高效利用化進(jìn)程中不可避免的一項(xiàng)挑戰(zhàn)[1]。庫(kù)址區(qū)常見(jiàn)的復(fù)雜工程地質(zhì)條件包括深厚覆蓋層[2-3]、地質(zhì)斷層[4]及巖溶地質(zhì)[5-6]等，其中深厚覆蓋層屬多元結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)松散、各土層顆粒級(jí)配及滲透性差異較大等特點(diǎn)，若工程滲流控制措施布置不當(dāng)，將會(huì)對(duì)其上所建大壩的滲流及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響[7]。因此，有必要對(duì)深厚覆蓋層上的庫(kù)區(qū)防滲系統(tǒng)布置進(jìn)行深入的研究。修建防滲帷幕是對(duì)深厚覆蓋層上的大壩進(jìn)行防滲的一種有效技術(shù)手段[8]，帷幕的設(shè)計(jì)尺寸等參數(shù)通常參考類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)選取，但在實(shí)際工程中往往需要因地制宜，庫(kù)區(qū)不同區(qū)域的帷幕尺寸會(huì)因覆蓋層深度等地質(zhì)復(fù)雜性的影響產(chǎn)生差異，進(jìn)而影響整體防滲效果，同時(shí)帷幕尺寸也會(huì)影響施工進(jìn)度及工程造價(jià)，因此在庫(kù)區(qū)滲流控制效果達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上探究防滲系統(tǒng)優(yōu)化的可能性這一課題具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。目前，許多學(xué)者對(duì)防滲系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了不同程度的研究。沈振中等[9]建立了察汗烏蘇水電站工程的三維有限元模型，從帷幕灌漿效果及巖體滲透性角度對(duì)壩區(qū)防滲系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了研究。劉杰等[10]構(gòu)建了某深厚覆蓋層上砂礫石大壩樞紐工程的三維有限元模型，探究了左岸防滲墻及右岸防滲帷幕在不同布置方案下的庫(kù)區(qū)滲流場(chǎng)分布特性并對(duì)防滲系統(tǒng)進(jìn)行了一定的優(yōu)化。Zhang等[11]借助MODFlow軟件從防滲體的滲透性及布置深度等方面開(kāi)展研究，并提出了某水庫(kù)的滲流控制措施優(yōu)化方案。

本文采用課題組自主研發(fā)的三維滲流分析有限元程序CNPM[4-5,9-10,12-13]，依托某深厚覆蓋層上引水式電站工程的實(shí)際情況，基于等效連續(xù)介質(zhì)模型并采用Galerkin逼近有限元法建立該庫(kù)區(qū)的三維有限元模型網(wǎng)格，同時(shí)根據(jù)飽和-非飽和滲流基本理論并采用截止負(fù)壓方法對(duì)設(shè)計(jì)防滲方案下的庫(kù)區(qū)滲流場(chǎng)分布性態(tài)進(jìn)行迭代求解以論證設(shè)計(jì)防滲方案的可行性[14-15]，最后在此基礎(chǔ)上探討了不同防滲系統(tǒng)方案下的庫(kù)區(qū)主要建筑物及整體滲漏量的變化趨勢(shì)并據(jù)此提出了該庫(kù)區(qū)的防滲系統(tǒng)優(yōu)化方案，以期在庫(kù)址區(qū)整體滲漏量得到有效控制的基礎(chǔ)上適當(dāng)降低防滲經(jīng)濟(jì)成本。

2 飽和-非飽和滲流基本理論

2.1 滲流計(jì)算基本微分方程

非飽和滲流在物理上屬多因素耦合過(guò)程，影響因素涉及土骨架體變、溫度、可溶含量等，非飽和土的滲透系數(shù)在不考慮密度變化時(shí)與飽和度有關(guān)。假設(shè)達(dá)西定律對(duì)非飽和滲流同樣適用，則非飽和滲流基本微分方程可參考飽和滲流類(lèi)比推出[16]。非穩(wěn)定飽和-非飽和滲流基本微分方程如下：

(1)

2.2定解條件

方程式(1)的定解條件如下[17-20]：

(1)初始條件

hc(xi,0)=hc(xi,t0) (i=1,2,3)

(2)

(2)邊界條件

hc(xi,t)|Γ1=hc1(xi,t)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：ni為邊界面外法線(xiàn)方向余弦；t0為初始時(shí)刻，s；hc1為已知水頭，m；qn為已知流量，m3/s；qr(t)為降雨入滲流量，m3/s；hc(t0)為初始時(shí)刻t0的滲流場(chǎng)水頭；Γ1為已知水頭邊界；Γ2為已知流量邊界；Γ3為飽和出逸邊界；Γ4為降雨入滲邊界。

2.3滲流量計(jì)算方法

通過(guò)某斷面S的滲流量q可按下式計(jì)算[19]：

(7)

式中：h為滲流場(chǎng)水頭，m；n為斷面正法線(xiàn)單位向量；S為過(guò)流斷面；kn為n方向上的滲透系數(shù)。

圖1為滲漏量計(jì)算單元示意圖。在空間上取任意八結(jié)點(diǎn)六面體單元，選擇中斷面abcda作為過(guò)流斷面S，將過(guò)流斷面S在XOY、YOZ和XOZ3個(gè)平面上的投影分別記為Sz、Sx、Sy，則通過(guò)該單元中斷面的滲漏量為：

圖1 滲漏量計(jì)算單元示意圖

(8)

因此三維滲流分析有限元模型中的任一斷面的滲流量求解過(guò)程可作如下表述：首先截取該斷面上的一排單元，之后組合各單元中斷面并令其作為該模型斷面的滲流量計(jì)算斷面，則通過(guò)該計(jì)算斷面的滲流量等于通過(guò)這些單元中斷面的滲流量之和。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某引水式水電站位于新疆維吾爾自治區(qū)境內(nèi)，水庫(kù)正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位分別為2 070.00、2 070.00和2 071.00 m，正常蓄水位以下庫(kù)容約為415.9×104m3。首部樞紐攔河建筑物軸線(xiàn)(壩軸線(xiàn))全長(zhǎng)261.66 m，自左岸至右岸的建筑物布置分別為生態(tài)小機(jī)、1孔沖沙閘、3孔泄洪閘、土工膜防滲砂礫石大壩。壩頂高程為2 074.00 m，最大壩高為28.40 m，全長(zhǎng)155.66 m。右岸大壩的典型剖面見(jiàn)圖2。

圖2 實(shí)例工程土工膜防滲砂礫石大壩典型剖面圖(單位：m)

該工程地質(zhì)條件復(fù)雜，根據(jù)前期鉆孔及抽水試驗(yàn)結(jié)果可知，壩址區(qū)壩基河床覆蓋層深厚(厚度一般在30～46 m，最大可達(dá)50 m)，并且顆粒粒徑組成差異較大，屬?gòu)?qiáng)透水層；兩岸基巖淺表部存在易傾倒、變形巖體，屬弱～強(qiáng)透水層，局部張裂縫易形成集中滲漏通道。該工程的整體防滲體系由攔河建筑物、基礎(chǔ)防滲墻、墻下防滲帷幕及兩岸壩肩帷幕灌漿組成：河床砂礫石基礎(chǔ)采用“墻幕結(jié)合”式防滲措施，設(shè)計(jì)防滲墻為嵌固式，厚度為1 m，入巖深度為1 m；左、右岸灌漿洞長(zhǎng)分別為40和50 m；設(shè)計(jì)防滲方案下庫(kù)區(qū)各部位的防滲帷幕深度均為伸入微透水層(q≤3 Lu)以下5 m。

3.2 有限元模型

根據(jù)滲流計(jì)算分析的基本原則并結(jié)合該工程實(shí)際情況，在笛卡爾坐標(biāo)系建立有限元數(shù)值分析模型。選取大地坐標(biāo)X=7 045.986 9 m，Y=3 123.424 3 m作為計(jì)算坐標(biāo)系原點(diǎn)o；上游邊界取至上游壩腳向上約100 m，下游邊界截至距壩軸線(xiàn)約220 m；左、右岸邊界分別截取至左、右岸帷幕灌漿洞末端向外約100 m；基礎(chǔ)邊界截至微透水層(q≤3 Lu)以下50 m，邊界高程為1 936 m。該模型考慮了大壩的各種材料分區(qū)、水閘段和生態(tài)小機(jī)的底板主要構(gòu)造及其下基礎(chǔ)部分，其余部分按實(shí)際地形模擬。該有限元模型依據(jù)伽遼金有限元理論，采用“控制斷面超單元有限元自動(dòng)剖分”技術(shù)將全部計(jì)算區(qū)域離散成互不重疊或交叉的空間八結(jié)點(diǎn)六面體等參單元，最終模型共包含27 033個(gè)結(jié)點(diǎn)和25 633個(gè)單元。圖3為該三維穩(wěn)定滲流分析有限元模型的邊界截取范圍和主要考慮建筑物以及用來(lái)劃分超單元的13個(gè)主要結(jié)構(gòu)控制斷面，圖4為最終生成的三維有限元模型網(wǎng)格劃分示意圖。

圖3 有限元模型平面范圍及控制斷面選取

圖4 三維有限元模型網(wǎng)格劃分示意圖

3.3 模型邊界條件及計(jì)算參數(shù)

本文所采用的三維穩(wěn)定滲流分析有限元模型邊界可分為3種，分別為已知水頭邊界、不透水邊界以及出逸邊界，其中左、右側(cè)及上游側(cè)截取邊界均近似為不透水邊界；水庫(kù)蓄水位以下的壩體、泄洪閘及生態(tài)小機(jī)等建筑物表面按已知水頭邊界考慮；壩基覆蓋層區(qū)域以下游水位作為邊界劃分界限，下游水位以下部分應(yīng)按下游已知水頭邊界處理，以上部分應(yīng)認(rèn)定為出逸邊界，除上述指定邊界類(lèi)型外的所有邊界均為不透水邊界。

根據(jù)壩體各分區(qū)的材料特性、混凝土滲透試驗(yàn)結(jié)果以及壩基各分層巖體的鉆孔注水試驗(yàn)結(jié)果，將壩體材料及庫(kù)區(qū)巖體劃分為滲透性不同的15個(gè)材料參數(shù)分區(qū)，見(jiàn)表1。

表1 壩體及庫(kù)區(qū)巖體各材料分區(qū)滲透系數(shù)

4 設(shè)計(jì)防滲方案的計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 壩址區(qū)平面滲流特性分析

圖5為庫(kù)區(qū)防滲系統(tǒng)采用設(shè)計(jì)方案且運(yùn)行期庫(kù)水位為正常蓄水位工況時(shí)的庫(kù)區(qū)地下水位等值線(xiàn)分布圖。

圖5 庫(kù)區(qū)地下水位等值線(xiàn)分布圖(單位：m)

由圖5可以看出，該工況下的庫(kù)址區(qū)滲流場(chǎng)位勢(shì)分布規(guī)律明確，地下水位分布與庫(kù)區(qū)地形和地貌結(jié)構(gòu)走向較吻合，并且由于樞紐左、右兩岸的覆蓋層深度等地質(zhì)結(jié)構(gòu)存在一定差異，導(dǎo)致該庫(kù)區(qū)滲流場(chǎng)呈不對(duì)稱(chēng)分布；左、右岸壩肩處的地下水位均低于正常蓄水位2 070.00 m，因此上游庫(kù)水可通過(guò)右岸大壩的壩體和壩基以及左岸的水閘段和生態(tài)小機(jī)地基向壩址下游區(qū)滲漏，兩岸的繞滲現(xiàn)象較為明顯；由于上游庫(kù)水在蓄水過(guò)程中不斷向下游滲漏，因此蓄水后的壩址下游區(qū)水位較蓄水前的天然地下水位有所抬升，局部抬升較為明顯；左岸斷層F1的滲透系數(shù)較大，屬于強(qiáng)透水，蓄水后斷層處的地下水位稍低于附近區(qū)域，因此斷層附近的地下水位等值線(xiàn)向斷層上游傾斜方向存在一定凸起。

4.2 主要建筑物剖面滲流性態(tài)分析

庫(kù)區(qū)防滲系統(tǒng)采用設(shè)計(jì)方案且運(yùn)行期庫(kù)水位為正常蓄水位工況時(shí)，壩基y=70 m剖面地下水等勢(shì)線(xiàn)分布見(jiàn)圖6；泄洪閘y=170 m剖面和生態(tài)小機(jī)y=220 m剖面的流網(wǎng)分布分別見(jiàn)圖7和8。

圖6 壩基y=70 m剖面地下水等勢(shì)線(xiàn)分布(單位：m)

圖7 泄洪閘y=170 m剖面流網(wǎng)分布(單位：m)

(1) 壩基滲流場(chǎng)分析。由圖6可以看出，由于壩體上游復(fù)合土工膜的防滲作用，浸潤(rùn)線(xiàn)在進(jìn)入壩體后沿近似壩坡方向稍有降低，隨后受到防滲墻及墻下帷幕共同阻滲作用的影響而呈迅速降低趨勢(shì)，因此砂礫石壩體區(qū)域的浸潤(rùn)線(xiàn)較低，使得絕大部分區(qū)域的壩體均處于非飽和狀態(tài)， 表明庫(kù)區(qū)的設(shè)計(jì)防滲系統(tǒng)對(duì)壩體具有較為顯著的防滲效果。

圖8 生態(tài)小機(jī)y=220 m剖面流網(wǎng)分布(單位：m)

(2) 泄洪閘及生態(tài)小機(jī)滲流場(chǎng)分析。由圖7、8可以看出，由于泄洪閘和生態(tài)小機(jī)所處的底板構(gòu)造、地質(zhì)覆蓋層深度以及顆粒組成情況相近，因此該工況下這兩處的流網(wǎng)分布規(guī)律相似，符合一般滲流場(chǎng)分布規(guī)律；滲透壓力自上游至下游均呈下降趨勢(shì)且在防滲墻及帷幕附近下降速度較快，表明泄洪閘和生態(tài)小機(jī)處的河床砂礫石基礎(chǔ)所采用的“墻幕結(jié)合”式防滲措施起到了良好的防滲效果。

4.3 滲漏量和滲透坡降

表2給出了正常蓄水位、設(shè)計(jì)和校核洪水位工況下通過(guò)樞紐區(qū)各建筑物的滲漏量以及庫(kù)區(qū)總滲漏量；表3給出了土工膜砂礫石壩段、水閘段(3孔泄洪閘+1孔沖沙閘)和生態(tài)小機(jī)處的防滲墻頂部、防滲帷幕頂部以及重要巖體分區(qū)部位的最大平均滲透坡降。

表2 不同工況下計(jì)算區(qū)域內(nèi)各部分滲漏量 (m3·d-1)

表3 各建筑物防滲體和重要巖體分區(qū)部位最大平均滲透坡降

由表2可以看出，當(dāng)由正常蓄水位工況變?yōu)樾：撕樗还r時(shí)，上、下游水頭差減小，因此通過(guò)各建筑物的滲漏量及庫(kù)區(qū)總滲漏量相對(duì)減小，符合滲流一般規(guī)律。正常蓄水位工況下的壩體滲漏量?jī)H占樞紐區(qū)總滲漏量的2.5%，結(jié)合圖6壩基地下水等勢(shì)線(xiàn)分布情況可知，由壩體上游復(fù)合土工膜、壩基防滲墻及墻下帷幕灌漿所組成的設(shè)計(jì)防滲系統(tǒng)對(duì)壩體起到了良好的滲流控制作用。此外，壩基、水閘段及左岸山體部位的滲漏量占樞紐總滲漏量比例較大，表明上游庫(kù)水主要通過(guò)這3處向下游滲漏。

由表3可以看出，當(dāng)采用設(shè)計(jì)防滲方案時(shí)，各工況下的各建筑物關(guān)鍵部位的最大平均滲透坡降均可滿(mǎn)足滲透穩(wěn)定基本要求；在正常蓄水位工況下，右岸大壩的壩基防滲墻頂部的滲透坡降最大，為14.69，表明在運(yùn)行期上、下游水頭差最大的工況下，設(shè)計(jì)防滲體系仍能對(duì)整個(gè)庫(kù)區(qū)起到有效的阻滲作用。

綜上所述，該工程所采取的設(shè)計(jì)防滲方案的防滲效果較為明顯，砂礫石壩體區(qū)域及庫(kù)區(qū)總滲漏量可以得到有效控制，因此設(shè)計(jì)防滲方案具有一定的合理性和科學(xué)性。

5 防滲方案比對(duì)及優(yōu)化

由表2可以看出，處于正常蓄水位工況下的庫(kù)區(qū)整體滲漏量為593.21 m3/d，該值雖滿(mǎn)足“庫(kù)區(qū)年滲漏量應(yīng)小于上游多年平均徑流量的5%”的基本要求，但設(shè)計(jì)防滲方案經(jīng)濟(jì)成本較高，因此有必要探究在庫(kù)區(qū)各建筑物關(guān)鍵部位既滿(mǎn)足滲透穩(wěn)定的基本要求且整體滲漏量可以得到有效控制的基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)計(jì)防滲系統(tǒng)進(jìn)行一定優(yōu)化的可能性，以期通過(guò)適當(dāng)降低防滲帷幕伸入相對(duì)不透水層的深度或縮短兩岸帷幕灌漿洞的長(zhǎng)度來(lái)降低防滲工程成本，同時(shí)加快施工進(jìn)程。

正常蓄水位工況下的上下游水頭差最大，應(yīng)以該工況作為下列各防滲系統(tǒng)優(yōu)化方案的計(jì)算工況：在防滲帷幕伸入微透水層(q≤3 Lu)以下5 m的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)防滲方案的基礎(chǔ)上，分別縮短各部位防滲帷幕深度至微透水帶(3 Lu線(xiàn))(方案1)、微透水帶與弱透水帶中線(xiàn)(3～5 Lu線(xiàn)中線(xiàn))(方案2)及弱透水帶(5 Lu線(xiàn))(方案3)；在左、右岸帷幕灌漿洞長(zhǎng)度分別為40、50 m的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)防滲方案的基礎(chǔ)上，分別并同時(shí)將左、右岸帷幕灌漿洞長(zhǎng)度延伸10 m(方案I)、延伸25 m(方案Ⅱ)、縮短10 m(方案Ⅲ)及縮短25 m(方案Ⅳ)。綜上，共7種方案，計(jì)算得到的各方案下的大壩、水閘段和生態(tài)小機(jī)處的帷幕頂端滲透坡降見(jiàn)圖9。

由圖9可以看出，不同防滲方案下各建筑物基礎(chǔ)下的防滲帷幕頂部的滲透坡降均滿(mǎn)足允許值，滿(mǎn)足滲透穩(wěn)定的基本要求，不會(huì)發(fā)生滲透破壞。由圖9(a)可見(jiàn)，設(shè)計(jì)方案下的帷幕底部伸入微透水層(q≤3 Lu)內(nèi)5 m，已形成相對(duì)封閉不透水防滲系統(tǒng)，帷幕深度縮短會(huì)導(dǎo)致該防滲系統(tǒng)的封閉性降低及阻水能力減弱，從而該處的滲透坡降也相應(yīng)減小，底部巖體發(fā)生集中滲漏的可能性將隨之增大。由圖9(b)可見(jiàn)，兩岸帷幕灌漿洞的長(zhǎng)度增加(方案Ⅰ、Ⅱ)會(huì)導(dǎo)致滲徑延長(zhǎng)，形成的相對(duì)不透水區(qū)域范圍增大，阻水能力增強(qiáng)，因此該兩種方案的滲透坡降比設(shè)計(jì)方案也相應(yīng)增大；反之，兩岸帷幕灌漿洞長(zhǎng)度減小(方案Ⅲ、Ⅳ)，滲徑和不透水區(qū)域面積均減小，阻水能力減弱，則防滲帷幕的滲透坡降也越小。

圖9 不同方案大壩、水閘段和生態(tài)小機(jī)處的帷幕頂端滲透坡降表4 各方案下的各部位滲漏量

為比較通過(guò)庫(kù)區(qū)各建筑物的滲漏量及整體滲漏量對(duì)于防滲帷幕深度變化和兩岸帷幕灌漿洞長(zhǎng)度變化的敏感程度，表4給出了各方案下的各部位滲漏量以及總滲漏量情況，圖10為相較設(shè)計(jì)防滲方案，各防滲系統(tǒng)方案下的庫(kù)區(qū)各部位及總體滲漏量變化率β的計(jì)算結(jié)果。

由圖10(a)可見(jiàn)，隨著防滲帷幕深度的減小，庫(kù)區(qū)各部位滲漏量及總滲漏量呈不斷增大的趨勢(shì)。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，選取滲漏量變化率β的控制標(biāo)準(zhǔn)為5%，即|β|<5%時(shí)認(rèn)為改變帷幕參數(shù)對(duì)滲漏量的影響不大，若|β|>5%，則認(rèn)為帷幕參數(shù)變化對(duì)滲漏量有顯著影響。當(dāng)帷幕深度由伸入3 Lu線(xiàn)以下5 m(設(shè)計(jì)方案)分別縮短至方案1(3 Lu線(xiàn))和方案2(3～5 Lu線(xiàn)中線(xiàn))時(shí)，各部位的滲漏量增長(zhǎng)率β均小于控制標(biāo)準(zhǔn)5%。當(dāng)帷幕深度減小為方案3(5 Lu線(xiàn))時(shí)，生態(tài)小機(jī)、水閘段、壩基和右岸山體部位的滲漏量增長(zhǎng)率仍維持在5%以?xún)?nèi)，表明通過(guò)這些部位的滲漏量對(duì)帷幕深度變化的敏感性較弱，但左岸山體及壩體處的滲漏量增長(zhǎng)率均大于5%，表明壩體和左岸山體的滲漏量對(duì)帷幕深度的變化較為敏感。方案1～3的庫(kù)區(qū)總滲漏量變化率分別為β1=0.75%、β2=2.03%、β3=4.15%，均小于控制標(biāo)準(zhǔn)5%，表明庫(kù)區(qū)總滲漏量對(duì)帷幕深度變化的敏感性較弱。

(m3·d-1)

圖10 不同方案庫(kù)區(qū)各部位滲漏量相較設(shè)計(jì)防滲方案的變化率

由圖10(b)可見(jiàn)，兩岸灌漿洞長(zhǎng)度各向外延伸10 m時(shí)(方案Ⅰ)，兩岸山體部位的滲漏量均有所減小，其中右岸山體的滲漏量減小率大于5%，表明延長(zhǎng)右岸帷幕灌漿洞的長(zhǎng)度對(duì)右岸山體的滲控效果較為顯著；當(dāng)兩岸灌漿洞的長(zhǎng)度在方案Ⅰ的基礎(chǔ)上再各向外延伸15 m，即相對(duì)設(shè)計(jì)方案各延伸25 m時(shí)(方案Ⅱ)，左岸山體的滲漏量減小率由-4.36%變?yōu)?5.81%，右岸山體的滲漏量減小率由-10.07%變?yōu)?12.08%，由此可見(jiàn)兩岸山體的滲漏量對(duì)帷幕灌漿洞長(zhǎng)度的變化敏感性均較弱；當(dāng)兩岸帷幕灌漿洞長(zhǎng)度增加時(shí)，兩岸山體的平均滲透性相對(duì)設(shè)計(jì)工況有所增強(qiáng)，因此由于繞滲等原因會(huì)導(dǎo)致山體間建筑物的滲漏量相對(duì)設(shè)計(jì)工況有所增大，當(dāng)帷幕灌漿洞長(zhǎng)度由延長(zhǎng)10 m增加至延長(zhǎng)25 m時(shí)，通過(guò)山體間各建筑物的滲漏量略有減小，表明通過(guò)這些部位的滲漏量對(duì)帷幕灌漿洞長(zhǎng)度延長(zhǎng)變化的敏感性較弱。同時(shí)庫(kù)區(qū)總滲漏量隨左、右岸帷幕灌漿洞長(zhǎng)度的增加而減小，總滲漏量變化率由-1.18%變?yōu)?1.71%，可見(jiàn)其對(duì)帷幕灌漿洞長(zhǎng)度變化的敏感性也較弱。方案Ⅲ和方案Ⅳ下，通過(guò)各部位的滲漏量均相對(duì)設(shè)計(jì)方案有所增大，但各部位的滲漏量增長(zhǎng)率均未超過(guò)5%，庫(kù)區(qū)總滲漏量增長(zhǎng)率由0.77%(方案Ⅲ)變?yōu)?.98%(方案Ⅳ)，表明通過(guò)各建筑物的滲漏量及庫(kù)區(qū)總滲漏量均對(duì)帷幕灌漿洞長(zhǎng)度縮短變化的敏感性較弱。

綜合上述，不同防滲系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的滲透坡降和滲漏量計(jì)算結(jié)果與比較，對(duì)該工程提出以下防滲系統(tǒng)優(yōu)化建議：設(shè)計(jì)方案中的防滲帷幕深度已延伸至微透水帶(3 Lu線(xiàn))以下5 m，當(dāng)減小帷幕深度至方案2情況時(shí)，通過(guò)庫(kù)區(qū)各建筑物的滲漏量增長(zhǎng)率及總滲漏量增長(zhǎng)率均小于允許增長(zhǎng)率5%，因此可考慮減小防滲帷幕深度至微透水帶與弱透水帶中線(xiàn)(3 Lu和5 Lu線(xiàn)之間區(qū)域的中線(xiàn))；設(shè)計(jì)防滲方案中的左、右岸帷幕灌漿洞長(zhǎng)度分別為40、50 m，當(dāng)左、右岸帷幕灌漿洞長(zhǎng)度各縮短10 m(方案Ⅲ)和各縮短25 m(方案Ⅳ)時(shí)，庫(kù)區(qū)各建筑物滲漏量增長(zhǎng)率及總滲漏量增長(zhǎng)率均小于5%，因此可考慮縮短左、右岸帷幕灌漿洞長(zhǎng)度各10 m，以適當(dāng)降低庫(kù)區(qū)防滲經(jīng)濟(jì)成本，并達(dá)到加快施工進(jìn)度的目的。

6 結(jié) 論

本文依托某深厚覆蓋層上引水式電站首部樞紐工程壩址區(qū)的工程地質(zhì)概況及防滲系統(tǒng)設(shè)計(jì)情況，建立三維有限元模型，計(jì)算并論證了設(shè)計(jì)防滲方案的合理性，并在此基礎(chǔ)上分析了不同防滲帷幕深度及左、右岸帷幕灌漿洞長(zhǎng)度對(duì)庫(kù)區(qū)各建筑物滲漏量及總滲漏量的影響，得出以下主要結(jié)論：

(1)當(dāng)庫(kù)區(qū)防滲系統(tǒng)布置采用設(shè)計(jì)方案且處于上、下游水頭差最大工況時(shí)，庫(kù)區(qū)各建筑物的關(guān)鍵部位的滲透坡降均滿(mǎn)足滲透穩(wěn)定要求，通過(guò)壩體的滲漏量?jī)H占庫(kù)區(qū)總滲漏量的2.5%，砂礫石壩體的絕大部分區(qū)域均處于非飽和狀態(tài)，表明庫(kù)區(qū)的設(shè)計(jì)防滲系統(tǒng)對(duì)壩體起到了良好的阻滲作用。

(2)通過(guò)左岸山體和壩體的滲漏量對(duì)防滲帷幕深度變化的敏感性均較強(qiáng)，右岸山體處的滲漏量對(duì)帷幕灌漿洞長(zhǎng)度變化的敏感性較強(qiáng)，其他部位的滲漏量及庫(kù)區(qū)總滲漏量對(duì)防滲帷幕深度及帷幕灌漿洞長(zhǎng)度變化的敏感性均較弱。

(3)防滲系統(tǒng)優(yōu)化研究表明，庫(kù)區(qū)防滲帷幕深度可縮短至微透水帶與弱透水帶中線(xiàn)，左、右岸帷幕灌漿洞長(zhǎng)度均可縮短10 m左右，可在有效控制庫(kù)區(qū)總滲漏量的基礎(chǔ)上適當(dāng)降低庫(kù)區(qū)防滲經(jīng)濟(jì)成本并加快施工進(jìn)度。