长江三峡碾压混凝土坝方案坝段渗控特性分析

　　长江三峡碾压混凝土坝方案坝段渗控特性分析朱岳明张贵寿2，徐惠民3（1.河海大学水利水电工程学院，江苏南京210098；2.绍兴文理学院，浙江绍兴3120003.南京市水利规划设计院，江苏南京210008）设有常态混凝土的防渗结构型式的碾压混凝土坝的特点，借助于渗流场求解的结点虚流量法及排水子结构技术并提出“排水孔开关器”的概念和渗流非均质成层材料单元模型，对坝中设计时存在的主要渗流疑虑问题、大坝的防渗与排水设施渗控方案的特性进行了数值分析研究。结果表明，导致碾压混凝土坝渗流特性复杂化的坝体强渗透各向异性是难以避免的，但只要有合理的防渗结构和排水设施，坝体渗流场是能够很好地得到控制的。

　　在三峡大坝曾有过的碾压混凝土重力坝论证方案中，左厂房12号坝段剖面以高程90m为界上下为常态混凝土结构和碾压混凝土结构。施工时混凝土本体层厚0. 3m，升程高度2~3m.由于施工间歇的影响，层厚之间会形成层面，升程之间会形成缝面，缝面需进行抗渗及抗力处理。大坝的上游面为常态混凝土防渗结构，防渗体后设排水孔幕，存在的主要渗流问题有：（a）坝上游面防渗体的防渗效果；（b）防渗体产生水平向或竖直向贯穿性裂缝时坝体渗流场特性及层面与缝面扬压力的变化情况；层面和缝面强透水性对坝体渗流特性的影响，尤其当坝体个别高程处存在集中渗水通道时坝体渗流特性的变化；（d）层面和缝面的施工非均匀性对坝体渗流场尤其是对层面及缝面上扬压力分布的可能不利影响；坝体防渗结构后排水幕的排水作用，当部分排水孔失效时坝体渗流场的变化；坝基防渗帷幕及多道排水幕的作用，当坝基部分渗控设施失效时坝基面上扬压力的分布是否仍能满足设计要求；（g）坝上游面采用二级配混凝土防渗体或变态混凝土防渗体或无防渗体时大坝的渗流特性。

　　本文在笔者己有工作的基础上提出“排水孔开关器”新概念和渗流非均质成层材料单元模型，用三维有限单元法对上述诸问题进行了较深入的分析研究。

　　1碾压混凝土坝非均质成层材料单元模型凝土本体分别进行刻画的非连续体模型。前者用层面切向及法向主渗透系数来描述坝体的渗流特性，由达西渗流理论进行渗流场的求解；后者则需联用裂隙渗流理论和达西渗流理论来描述隙面和本体以及整个坝体的渗流行为。两者的建模思路不同，但有限单元法求解结果基本一致，满足一般的工程要求。前者简单明了，理论成熟，经验丰富，求解三维问题时所需单元数相对很少；后者现有计算程序较少且解题规模很大，解一个重力坝平面问题就需上万个结点。本文再介绍一种非均质成层材料单元模型。

　　假定坝体是由所示的碾压混凝土非均质成层材料单元所组成，其中在高度方向上的分层数是由本体层厚、层面隙宽、缝面隙宽和垫层体甚至常态混凝土层所决定。此时用有限单元法求解坝体渗流场问题的关键是如何在理论上正确严密地求得这种成层材料单元的传导矩阵。

　　据的定义及有限单元法原理，这种单元传导矩阵的传导系数基金项目：教育部博士点基金资助项目（97029406）；水利部水利技术开发基金资助项目（S9705）。

　　需指出的是，这种非均质成层材料单兀模型的建模思想也能直接适Fig.1Inhomogeneousmult-laminated用于碾压混凝土坝或别的成层材料结构中温度场和应力场等问题的数mediaelement值分析，且和式a）~的思想也可毫无困难地扩展到单元同时也在和n方向上的分层情况。

　　2碾压混凝土坝渗流场求解本文在碾压混凝土坝渗流场的有限元法求解中，除了运用上述非均质成层材料单元模型外，在算法上还有特色：一是用所介绍的结点虚流量法，在计算迭代过程中能精细地搜索出渗流自由面的位置和所有渗流逸出面的大小；二是用排水子结构技术严密地模拟坝体及坝基中所有排水孔的渗流行为；三是鉴于坝基有多道顶面自溢式排水孔幕以及坝基上下游面还设有防渗帷幕，可能会在坝基排水幕中出现部分排水孔在排水而部分不在排水的工作状态，为了在计算中也能正确地仿真这一重要现象，模型中将这些排水孔的顶端面事先都视为可能渗流逸出面，且对这些顶端面设置“开”或“关”的“排水孔开关器”，即据中间解的结果，分别确定各个开关器在下一步计算中应该是处于“开”还是“关”的工作状态。排水孔通常对渗流场解的影响很大，设置这种开关器对求解坝基和地下厂房厂区尤其是拱坝坝基渗流场问题是至关重要的，否则如在中常可见到的那样，出现极为错误的结果。另外，本文在模拟防渗体水平向和垂直向渗水裂缝以及坝体集中渗水层面与缝面时采用隙宽为0.1mm的裂隙渗水单元。

　　3三峡碾压混凝土重力坝方案12号坝段渗控特性分析左厂房12号坝段高156m坝基面高程29m，上下游水位175m和62m，碾压混凝土坝体区坝上下游面常态混凝土防渗体厚自上而下为4~9.2m和2~4m，宽123.2m的坝基面上有厚1.5m的常态混凝土垫层。坝基为闪云斜长花岗岩，平均渗透系数取1X1（T4cm/s.坝体共有5层廊道，其间设排水幕共4层，排水孔孔径及孔距为20cm和3m.鉴于坝上游库水水头大及下游尾水深，坝基上下游面均设置防渗帷幕厚2m深分别为80m和50m，渗透系数1X1（T5cm/s.此外，除在两道防渗帷幕的内侧分别有深50m和30m的坝基主排水幕外，坝基面中部尚有两道深8m且向坝体内延伸至高程42m处的排水幕。这4道排水幕中的孔径和孔距也为20cm和3m，坝基排水孔顶面自溢高程均为34m.视顺河向两相邻排水孔中面和过排水孔中心垂直面为渗流对称面，计算域在坝轴线方向的厚仅1. 5m坝基岩体计算域深和上下游侧边界立面分别距坝踵与坝趾的距离均为3倍坝基面宽。计算域中的渗流边界条件有己知水头边界、不透水边界、渗流自由面边界及可能渗流逸出面边界，廊道壁面视为不渗水边界。

　　3.1计算工况针对前述渗流问题，以表1所列8个工况作为大坝渗控特性分析的计算对象。根据三峡工程碾压混凝土纵向围堰所做的室内外渗透试验与压水试验结果等效模型中层面切向和法向主渗透系数及其比值。

　　工况层面隙宽缝面隙宽层面切向渗透系数层面法向渗透系数渗透异性比注：工况1坝内无排水幕防渗体渗透系数小于层面法向渗透系数1个数量级；工况2坝内无排水幕，但防渗体渗透系数为坝体层面法向的1/5倍；工况3和工况4坝体和坝基有排水幕；工况5坝体在高程35m，55m和75m有隙宽为01mm的集中渗水缝面，坝上游面混凝土防渗体有贯穿性坚直裂缝；工况6坝体在高程35m，55m和75m有隙宽为0 1mm的集中渗水缝面，这3个高程处防渗体也有水平向贯穿性裂缝；工况7高程90m以下为全断面碾压混凝土方案，上游面厚492m的二级配碾压混凝土作为防渗体；工况8高程90m以下坝体为全断面三级配碾压混凝土体。

　　3.2计算结果分析工况1坝体等水头线分布工况2坝体等水头线分布这两个工况中未考虑坝体及坝基中排水幕的作用，目的是考察坝上游面常态混凝土防渗体相对抗渗能力的渗控作用。工况1为设计情况，而工况2中防渗体渗透系数只比碾压混凝土层面法向渗透系数小半个数量级。坝体渗流场等水头线的分布如、所示。由于坝体内无排水设施，顶部常态混凝土坝体中的渗流自由面位置很高，几乎整个坝下游面均为渗流逸出面，因此无论在常态还是碾压混凝土坝中均应设置排水幕。因坝体断面周边均有常态混凝土，且碾压混凝土为相对强透水区，随着坝上游面防渗体透水能力的加，坝体底部碾压混凝土区渗透水流对上部常态混凝土中渗透水流的顶托作用就大，防渗体的防渗作用就小，防渗体上下游面的水头差大约从61m降到24m.3中有一值得注意的现象是，在坝体碾压混凝土区，强渗透各向异性导致所有等水头线都呈水平向分布，即平行于层面切向的大主渗透方向的分布。这一现象也正好从理论上说明了在早期的个别碾压混凝土坝工程运行中所出现的事实：当坝上游面无防渗设施尤其也没有排水设施时，坝下游面上的渗流逸出面的逸出线位置几乎与上游库水位同高。同时，这也解释了在许多当今己建的碾压混凝土坝中为何在坝下游面局部区渗流逸出线或逸出点位置过高的道理。

　　3.22工况3，41这两个工况的区别在于层面和缝面隙宽的不同1提的是A当层通和缝面的水力隙潘和10rtn时坝体己呈现出明显的渗透各向异性，异性比达27；随着层面和缝面水力隙宽的加，坝体渗透各向异性比迅速大，可达3 ~5个数量级，甚至更大。因此，就当前的碾压混凝土坝施工方法、技术与工艺水平而言，坝体几乎不可避免地成为渗透各向异性比达两个以上数量级的挡水建筑物，其渗流特性要远比常态混凝土坝的复杂工况3的坝体渗流场相邻排水孔中间剖面（下同）等水头线分布和层面与坝基面上的扬压力水头分布见。工况4的结果与工况3也甚为相同。在碾压混凝土区，由于有抗渗性好的坝上游面常态混凝土的防渗及防渗体后垂直于层面和缝面的排水幕的存在，场中渗透水头几乎完全集中损耗在防渗体内，排水幕后坝体出现了大面积的疏干现象。在常态混凝土坝区，在排水幕和碾压混凝土渗流疏干区的共同作用下，实际渗流域只局限于排水幕的上游区。这两个工况中坝基面上的扬压力分布甚为一致，这与坝基常态混凝土垫层与坝基岩体的透水能力相差很大有关。基面垫层及混凝土本体隔断了坝体与坝基之间渗透水流的有效交换，坝基面上的扬压力只取决于坝基排水廊道排水幕的排水高程、岩体的渗流特性和坝基渗控措施的布置情况。

　　工况5是在工况4的基础上，再考虑碾压混工况3扬压力水头及坝体等水头线分布凝土坝体在典型高程35m，55m和75m有水力隙Fig宽均为0.1mm的贯穿性缝面；同时鉴于层面和缝ofhyA'Mlk面的施工非均匀性，考虑排水孔周围5m和距坝下游面15m范围内的层面和缝面的隙宽仅10，um，该范围内单元的层面切向渗透系数较其他区的小两个数量级，相对造成排水幕的排水不畅性和坝下游面的堵渗作用，加层面和缝面的扬压力；还考虑自上而下在整个常态混凝土防渗体中出现贯穿性竖直立面型渗水裂缝，缝宽0.2~0.1，裂隙位置在相邻两排水孔的中间（y= 1.5m）。在工况5的基础上，工况6又在高程35m，55m和75m缝面处坝上游面防渗体也有3道水平裂缝。为工况5的计算结果，工况6的计算结果与工况5的基本相同。由于库水直接通过防渗体的裂缝渗向坝内层面和缝面，尤其是上述抗渗处理不当的缝面，大大地扩大了坝体渗流实域范围，它包含了整个碾压混凝土坝体域，渗流逸出线从常态混凝土坝区底部在碾压混凝土与常态混凝土的-40交接面处就出露。但由于坝体中有强排水能力的排水幕的存在，在碾压混凝土区等水头线都在排水幕处仍然自垂直状分工况5坝体等水头线分布布约经90.角的急弯折成水平向的展延，且其位置高程比其水of Unesofhydraulic头值只小几米，亦即此时层面或缝面上的扬压力水头也只有AcademicournalElectrn几米b仍远小于设计允。于坝体及坝基中排水幕的排水作用，这两个工况中坝下游面河床尾水也为渗流场的入渗源。

　　这两个工况中碾压混凝土坝上游面未设常态混凝土防渗体渗流场的水头分布见和。工况7以坝上游面的二级配碾压混凝土作为防渗体虽然垂直向的渗透系数只与坝体层面法向的相同，水平向的较三级配区层面切向的只小1个数量级，但由于其后排水幕的作用，碾压混凝土区的等水头线都在排水幕处弯成水平向伸至坝下游面，水头值与位置高度基本相同，层面和缝面得到了充分的疏干，所残剩的扬压力很小。中坝体碾压混凝土区为全断面三级配碾压混凝土，坝上游面没有任何形式的防渗体在排水幕的截渗作用下，坝体层面和缝面上的扬压力仍被较充分地得到了控制，但此时渗过坝体的渗流量大大地加，坝上游面三级配混凝土层面和缝面中的水力比降也较大。比较和可知，当坝上游面防渗体产生贯穿性裂缝综上所述，碾压混凝土坝层面和缝面上的扬压力主要依靠排水幕来控制，而对坝体渗流量及坝下游面逸出点高度的控制，则需设置防渗体。

　　3.25其他经进一步分析研究，碾压混凝土坝中排水孔的间距可较目前工程中常用的3m再大些，比如4基中间两道抽排水幕失效时坝基面上的扬压力分布仍能满足设计要求；当上下游面主排水幕同时失效，而中间排水幕和防渗帷幕都好时，坝基面上扬压力也能满足设计要求。此外，若没有排水幕的存在，坝基防渗帷幕的防渗作用是非常有限的，远远不能满足坝基扬压力图形的设计要求。

　　4结语本文对长江三峡左厂房12号坝段曾有过的碾压混凝土重力坝方案的渗控特性进行了三维有限单元法的分析研究，其中针对碾压混凝土坝的结构特点及坝基多道排水幕的工作情况，提出了供渗流场求解的非均质成层材料单元模型和供判断及模拟坝基排水幕中各个排水孔是否处在排水或不排水工作状态的“排水孔开关器经多种工况的比较计算较详细地研究了左厂房12号坝段坝体防渗结构与排水设施在渗控方面的作用及其相辅相成的关系。

　　就目前的施工方法、技术及工艺水平而言，碾压混凝土坝体必然是一强渗透各向异性体，其渗透各向异性比常常可达2~5个数量级，甚至更大。降低坝体渗透各向异性比程度的*经济、*有效的方法是，施工时层面的间歇时间要尽可能短以及有严格的施工管理与监督制度。渗控设计的原则应是：用排水幕来控制坝体层面和缝面上的扬压力；用坝上游面防渗结构来控制坝体的渗流量和提高坝体的耐久性。