数值分析在防渗帷幕时效性分析中的应用

贾 超，周晓勇，李 辉，虞未江

工程管理

数值分析在防渗帷幕时效性分析中的应用

贾 超，周晓勇，李 辉，虞未江

（山东大学土建与水利学院，济南250000）

利用数值分析的方法确定出帷幕的渗透系数与渗漏量的关系，进而对帷幕的防渗效果进行分析。通过现场压水试验得到当前防渗帷幕的透水率，并对其防渗效果进行评价，将现场试验结果与数值分析结果对比，发现数值计算结果与现场试验结果一致，因此该数值分析方法可以用于对研究区内防渗帷幕时效性评价。

防渗帷幕；时效分析；压水试验

1 工程概况

泰山抽水蓄能电站上水库位于山东省泰安市樱桃园沟内，上水库库盆防渗采用钢筋混凝土面板与库底高密度聚乙烯土工膜及垂直防渗帷幕相结合的综合防渗方案。其中垂直防渗帷幕布置在土工膜水平防渗的左侧区，左坝头设置一帷幕灌浆廊道，帷幕灌浆廊道位于左坝头管理处营地后边坡山体内，洞向N4°30'E，洞长72.78m，左坝头至帷幕洞长87.22m，帷幕灌浆区域长160.00m。

2 左坝肩防渗帷幕数值分析

为评价左坝肩防渗帷幕的时效性，首先利用有限元计算软件建立水库及帷幕三维渗流模型，进行渗流分析计算。根据防渗帷幕不同工作状态下其渗透系数不同而设定多种工况，通过计算各工况下浸润线位置确定浸润线分布和渗漏量，得到渗透系数与渗漏量的关系曲线，进而分析评价帷幕防渗效果。

2.1 几何模型的建立及网格划分

根据泰山抽水蓄能电站上库库区地质探测资料，将上水库左坝肩山体采用土石坝模型进行概化，根据左坝肩处地形条件建立三维实体模型如图1。

图1 水库左坝肩段三维实体模型

考虑地质钻孔深度，库底上、下均取帷幕深度的1.5倍作为上、下边界，满足渗流模型建立及计算要求。模型网格选取solid brick 8node70映射剖分的方式进行划分，库岸山体及地基部分网格尺寸选取10m，防渗帷幕部分网格尺寸选取2～3m，网格划分满足精度要求，划分网格后的模型如图2。

图2 上水库左坝肩三维模型网格划分

3.2 边界条件及参数确定

根据设计资料正常蓄水情况下压力水头24m，因此上游水头为第1类边界条件H=24m，模型左边界及库岸山体顶部为不透水边界是第2类边界条件的特殊情况q=0，右边界为溢出边界即H=y，下边界边界条件设置为H=0。勘察资料可知，山体渗透系数K1= 2×10-2m/d，坝基渗透系数K2=1×10-3m/d。采用改变帷幕渗透系数的方法模拟帷幕在不同工作状态时的渗流状况，设定帷幕渗透系数K3分别为1×10-5，5×10-5，1× 10-4，5×10-4，1×10-3，5×10-3，1×10-2，2×10-2m/d等8工况进行数值计算。

3.3 计算结果与分析

对于帷幕渗透系数为1×10-5m/d的第1种工况，计算可得模型的渗流浸润线分布云图如图3。

图3 K3=1×10-5m/d时浸润线分布云图

从图中可以看出通过灌浆帷幕的浸润线是一条不光滑的曲线，浸润线以上压力水头为0m，浸润线往下压力水头逐渐增大，压力水头的最大值22.86m。通过灌浆帷幕后，由于帷幕的渗透系数小于岩体的渗透系数，渗流浸润线在帷幕前后出现明显的落差，说明工作状态良好，灌浆帷幕具有很好的阻水效果。通过计算同时可以得到的总水头分布云图如图4。

图4 总水头分布云图

由图4可知，水头在帷幕前后的变化情况。灌浆帷幕上游面水头为401m，经过帷幕之后变为383m，水头损失18m，已知库底最大压力水头24m，因此经过帷幕之后将损失75%的水头。距离水库越远，水头越低，随着深度增加，总水头也越来越小。因此在帷幕工作状态良好的情况下，防渗帷幕截断了上下游的渗流通道，地下水的渗流被大大削弱，防渗帷幕承担了主要水头差。

帷幕渗透系数K3取1×10-4，5×10-4，1×10-3，5×10-3，1× 10-2，2×10-2m/d时，随着帷幕渗透系数的减小，可得到帷幕在不同工作状态下上库左坝肩的渗流浸润线的形态，限于篇幅部分云图如图5～图8。

图5 K3=1×10-5m/d时浸润线分布云图

图6 K3=5×10-4m/d时浸润线分布云图

图7 K3=1×10-3m/d时浸润线分布云图

图8 K3=2×10-2m/d时浸润线分布云图

可以看出，当防渗帷幕处于不同的防渗等级时，模型中的浸润线分布形态差异明显，随着帷幕渗透系数的增大，浸润线越来越光滑，渗漏量逐渐增大，帷幕阻水效果越来越差，不同帷幕渗透系数下计算的渗漏量如表1。

表1 帷幕不同渗透系数下的渗漏量单位：m/d

续表1

根据帷幕不同渗透系数下的渗流量表可得Q~ K3关系曲线分布图如图9。

图9 Q~K3曲线分布图

从图9可以看出，随着帷幕渗透系数的增大，渗漏量逐渐增加，渗流量与其渗透系数存在正相关，结合勘察资料可知当前研究区的渗透系数在5×10-5～1× 10-4m/d之间，结合数值分析Q~K3曲线图得出渗漏量10L/s。可以看出防渗帷幕防渗效果有一定衰减并产生渗漏，但防渗效果依然明显。

4 现场压水试验

为确定上库左岸灌浆帷幕当下的透水率，并验证数值分析的结果，本研究在左坝头原有灌浆帷幕线上钻取3个试验孔进行了现场压水试验。试验采用单点法进行，每6m进行一段压水，每段试验记录4组数据，试验为2015年9月8日、9月9日两天，取其试验结果平均值作为本试段的透水率。试验成果如表2。

表2 1#孔压水部分试验段成果

续表2

从试验可以看出试验孔的不同高程段透水率不同，但整体相差不大，整体透水率在2~3Lu之间。帷幕灌浆的防渗标准为透水率小于等于1Lu，从现场压水试验来看随着运行时间的增加，已不满足设计标准。目前防渗帷幕有一定程度的破损，防渗性能存在衰减，但衰减程度并不严重。

5 结语

（1）通过对泰山抽水蓄能电站的左坝肩防渗帷幕数值模拟，求得不同渗透系数下的渗漏量，根据实测资料确定出当前防渗帷幕的渗漏情况，分析可知防渗帷幕经过多年运行存在一定程度的破损，渗漏量有所增加。

（2）根据现场压水试验结果，发现帷幕的防渗性能已有所衰减，与数值分析结果相对比，发现二者较为吻合，说明利用数值模拟对防渗帷幕的时效性进行分析评价，具有一定的可靠性。

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The numerical analysis application in the research on Curtain Grouting

JIA Chao，ZHOU Xiao-yong，LI Hui，YU Wei-jiang
（School of Civil Engineering，Shandong University，Jinan 250000，China）

A numerical analysis method is proposed and used to determine the relationship between Permeability coefficient and leakage of the curtain.Through the field water pressure test，the seepage rate of the current waterproof curtain is obtained，and the seepage prevention effect is evaluated.The field test results compared with the results of numerical analysis，it is found that the numerical results are consistent with the field test results，so the numerical analysis method can be used for the evaluation of the timeliness of the impervious curtain in the study area.

curtain grounting；time dependent analysis；water pressure test

TV512

B

1672-9900（2016）04-0074-04

2016-07-05

贾超（1976-），男（汉族），教授，主要从事水利工程、岩土工程及工程地质方面的研究工作，（Tel）15562491089。