碾压混凝土坝及龙滩碾压混凝土重力坝的渗流特性研究_二_

朱岳明　张燎军　庞作会(

河海大学　南京　210098)

(续上期)

4　龙滩碾压混凝土坝渗流特性研究411　工程概述

我国拟建的龙滩高碾压混凝土重力坝是红水河上的龙头水利水电工程,分二期开发,最大坝高分别为192m和21615m,坝顶长度达741m和83615 m,装机容量4200MW和5400MW。一期工程水库正常蓄水位为375m,下游尾水位为25515m;设计洪水时坝上下游水位相应为379134m和262130 m,大坝现拟的渗控设计方案为“钢筋混凝土面板防渗方案”,坝上游面有厚1m的双面钢筋混凝土防渗面板,其后距坝面约7%上游相应水深的范围内坝体为富胶质改性混凝土和二级配碾压混凝土,在二级配和三级配混凝土之间的布设孔径为15cm、孔距为3m(高程270m以下为2m)的排水孔排水幕。在坝下游面在高程230m以下采用宽4m的二级配碾压混凝土防渗体和排水孔排水幕。坝体水平向碾压混凝土本体层厚013m,平均每连续上升铺筑7层有一施工间歇性缝面,缝面处理为铺厚115cm的纯水泥浆或水泥砂浆垫料。经试验及理论分析,在高程300m以上及以下坝体混凝土沿层面切向及法向的两个主渗透系数分别为1105×10-7cm/s与9149×10-10cm/s和1114×10-7cm/s与6129×10-9cm/s,渗透各向异性比达111和18。

坝基岩体由倾向下游的成层砂岩和泥板岩组成,倾角约60°,完整性好,强度高,透水性小。在坝基弱风化区、微风化区及新鲜未风化区,岩体渗透张量的6个的渗透系数(k x x、k xy、k xz、k yy、k yz和k zz)分别为(1168×10-5cm/s、-2.50×10-5cm/s、-1133×10-5cm/s、8104×10-5cm/s、-0146×10-5cm/s、2144×10-5cm/s)、(0191×10-5cm/s、-1.33×10-5cm/s、-0.74×10-5cm/s、4.31×10-5cm/s、-0.26×10-5cm/s、1135×10-5cm/s)和(0141×10-5cm/s、-0.62×10-5cm/s、-0.31×10-5cm/s、1.99×10-5cm/s、-0.11×10-5 cm/s、0.57×10-5cm/s)。坝基采用封闭性堵与排相结合的渗控设计方案,在河床坝段中坝基上下游面设置嵌入相对不透水岩层内10m的防渗灌浆帷幕,渗透系数取510×10-6cm/s。两帷幕内侧分别有上下游排水幕;另在坝建基面区沿坝轴向设有4道纵向排水廊道和相应的孔径为11cm、孔距为3m 的抽排水幕,深至坝建基面以下10m,以降低坝建基面区的扬压力。与此同时,在坝建基面区的抽排水幕处排水幕向坝体内延伸至高程230m,以降低坝建基面区碾压混凝土层面上的扬压力。

412　大坝的主要渗流影响因素与渗流分析模型针对大坝上述渗控设计方案,存在的主要渗流影响因素有面板的抗渗性、面板局部区开裂、面板后排水情况、坝体中排水幕、层面的强透水性、碾压混凝土本体的弱透水性以及坝基中的排水及防渗措施等。

在三维渗流场有限元法分析中,视坝体中两相邻排水孔中间的上下游向立面及排水孔中面为水力对称面,计算域沿y轴向(坝轴线向)厚度仅为排水孔间距的一半,排水孔的渗流行为用排水子结构技术模拟,坝体中的多层廊道视为渗流可能排水逸出面。坝基所有排水幕中排水孔的可能排水溢出高程为相应排水廊道底板的高程,在渗流场迭代求解过程中这些排水孔顶端的可能逸出面需通过渗流量判别准则甄别出其排水条件的真伪性。面板贯穿性裂缝的透水能力按缝隙流立方定律考虑,面板与坝体

第18卷第2期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　红水河　　　　　　　　　　　　　　　　　　Vol.18,No.2Ξ本文在基础理论方面是笔者承担的水利部和教育部科研基金项目的部份成果

之间的施工性立面型缝隙的渗透性也按立方定律处

理。考虑到坝体层面和缝面甚多,且其间距很小,视坝体为一非均质强各向异性连续体结构,构成一个排水孔穿过自由面的三维达西渗流问题。413　大坝渗流特性计算分析41311　防渗面板抗渗性

当坝体上游面防渗面板的渗透系数取为110×10-10cm/s 时,

坝体渗流场中等水头线的分布情况为图2(a )所示(坝建基面为不透水面)。因面板的

渗透系数小于坝体水平向的3个数量级,垂直向的

一个数量级,面板的防渗作用是较明显的。因坝体呈强渗透各向异性,下游水位以上的渗流区等水头线呈水平向分布。若面板加厚直至7%相应处库区水深水头值时,面板后坝体的渗流状态基本未变,说明面板的防渗效果主要取决于面板的相对抗渗性。当面板的渗透系数分别再大和小一个数量级,即为110×10-9cm/s 和110×10-11cm/s 时,坝体中的渗流情况分别为图2(b )和(c )所示。

图2　防渗面板相对不透水性的影响(单位:m

)

41312　防渗面板局部区开裂及面板后排水洞的影

响

若在高程349m 坝下游面折坡处面板发生了贯穿性开裂,裂缝的等效水力隙宽为011mm ,此时坝体渗流场计算结果为图3(a )所示。与图2(a )相比较,此时坝中渗流区域大大地扩大了,渗流自由面几乎上抬了50m ,坝下游面渗流逸出线高程约在355m 处,仅比库水位约低20m ,几乎整个坝下游面成

了渗流逸出面。若此时再考虑到面板后可能存在着面板与坝体非同步施工所产生的施工间歇性立面型缝隙的影响,则坝体中的渗流情况会更糟,见图3(b ),此时因坝体的绝对渗水能力很弱面板已完全失去了其防渗的功能,坝体层面上的扬压力达到了三角形分布时的理论最大值。但若此时在面板后在高程312m 处设置一个断面尺寸为30cm ×30cm 的水平排水洞,这个排水洞与面板后立面型缝隙的联

图3　防渗面板开裂及面板后排水洞的影响(单位:m )

朱岳明、张燎军、庞作会:碾压混凝土坝及龙滩碾压混凝土重力坝的渗流特性研究(二)

合导流和排水作用仍能完全控制坝体中的渗流情况见图3(c )。可见,在碾压混凝土坝上游面的防渗结构后应特别注意合理充分地设置排水设施。41313　坝体排水孔排水幕的作用

取坝体中排水孔孔距为3m ,孔径为15cm ,准三维计算域在坝轴线方向的厚度为115m 。当面板不开裂及开裂时坝体中过排水孔中面y =0断面上的渗流场等水头线的分布情况为图4(a )和4(b )所示(面板后仍有011mm 水力隙宽的立面型缝隙,但无水平排水洞,各廊道的周壁为可能逸出面)。坝体中有了排水孔的内部渗流边界条件,整个渗流场中的等水头线分布形式都受控于排水孔的排水降压作用,下游水位以下的坝下游面也成了渗流入渗面,下游水位以下坝体层面上的扬压力也得到了很好的控制。此时即使面板开裂,失去防渗作用,坝体中等水头线也在排水孔位置处几乎进行了90°的转向下游方向的弯折见图4(b ),且其后呈水平向伸展,说明

排水幕后坝体层面上的扬压力仍接近为零,坝下游面上的逸出渗流量很小,但渗流逸出线位置高度却单靠排水幕的作用得不到控制,仅比库水位375m 低5m 。

若坝上游面无防渗面板,取排水孔孔距分别为3m 、8m 和20m 时,排水孔中面上的等水头线分布情况分别为图5(a )、5(b )和5

(c )所示。可见,在碾

压混凝土坝中由于排水孔正交于层面及坝体为强渗透各向异性体,当排水孔孔距达8m

时,排水孔的排水作用仍能很好地控制渗流场的水头分布,见图5(b ),当排水孔孔距达20m 时,排水孔还能较好地控制坝体层面中扬压力的大小。因此,在碾压混凝土坝中排水孔的孔距可适当地从目前常采用的3m 扩大到5m ～6m 。进一步的计算还表明,排水孔孔径大小的变化在10cm ～20cm 可能取值的范围内对渗控效果的影响不明显,因此,在实际工程的运行中主要要确保排水孔的长期排水畅通性。

图4　面板不开裂及开裂时坝中排水孔排水幕的作用(单位:m )

图5　不同排水孔孔距时坝体渗流场等水头线分布(单位:m )

红水河1999年第2期

图6　龙滩大坝一期工程挡水坝段坝体及　　　坝基中渗流场的水头分布(单位:m )

41314　坝建基面区渗控措施及坝基岩体渗

透各向异性的影响

图6为设计洪水位时上游面防渗面板开裂及面板后也未设置水平排水洞时坝体和坝基中的水头分布情况。渗流场在坝上游面防渗面板、面板后施工立面、上下游面排水幕及坝基抽排设施等的共同渗控作用下,大坝渗流特性已完全得到控制,坝中渗流自由面高程为247141m ,比下游水位262130m 还低141m ,

且自由面以下坝中的等水头线几乎呈水平向分布,与其位置高度相差不大,说明坝中渗透水基本上已被全部排走,混凝土层面上所受的扬压力很小。在坝基中,因受成层岩体渗透各向异性的影响,除防渗帷幕

和排水幕局部区外,等水头线主要沿岩层中的层面方向分布,沿层面方向的水头损失几乎为零,水头集中损耗在岩层层面法向(水力阻力为最大的方向)的渗流途径上,这是龙滩坝坝基岩体渗流特性的最大特点,在研究岩体的渗流特性时不可忽略岩体的这种渗流水力行为。

5　结语

本文就碾压混凝土坝的渗流特性及其基本理论进行了分析研究,因碾压混凝土本体的透水能力很小,而层面和缝面的透水能力相对很大,坝体在宏观上呈极强的渗透各向异性,坝体水平向的水力阻力很小,按目前的施工方法及工艺水平,几乎不可避免地要出现坝体水平向的透水能力较垂直向的大2个～6个数量级的现象,甚至更大,大坝在施工期一定要进行严格的管理。由于这种强渗透各向异性的存在,碾压混凝土坝的渗流特性要较常态混凝土坝的复杂得多,在进行大坝渗控设计时,坝上游面需采用防渗结构和在防渗结构后设置排水设施。防渗结构可以是钢筋混凝土或常态混凝土面板,也可以是别的结构型式,比如沥青或PVC 结构,目前的发展趋势是采用富胶质二级配碾压混凝土或施工时掺水泥浆的变态混凝土防渗体,排水设施主要是排水孔排水幕及各种型式的水平向及铅直向排水洞或槽等。建议排水孔孔距为5m ～6m 。因坝体的绝对透水能力很小,若排水设施不合理,防渗结构只要出现细小的贯穿性裂缝时,防渗结构就有可能完全损失其防渗功能,这是在碾压混凝土坝的渗控设计中非得重视的现象。同样,坝段之间施工缝及坝体周边缝的防渗要求也应是高要求的,同时也应考虑其局部

开裂时缝隙水流的导排畅通性要能得到永久性的保证。

(全文终)

参考文献

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4　K.Iwai :Fundamental studies of fluid flow through a single fracture ,Ph.D.Thesis ,Univ.of California ,Berkeley ,USA ,1976.

5　P.A.Withers poon et al :Validity of cubic law for fluid flow

in a deformable rock fracture ,WRR ,pp.1016～1024,1980.6　朱岳明、黄文雄1碾压混凝土及碾压混凝土坝的渗流特性研究1水利水电技术,1995,(12)7　朱岳明、许红波1碾压混凝土坝的渗控设计分析研究1岩土工程学报,1993,(6)8　朱岳明等1龙滩高碾压混凝土重力坝的渗控设计研究1水利学报,1997,(3)作者简介

朱岳明　男　河海大学高坝及地下结构工程研究所所长　教授

博士

张燎军　男　河海大学高坝及地下结构工程研究所副所长　高

级工程师　博士研究生

庞作会　男　博士后

(收稿日期:1999201219)

朱岳明、张燎军、庞作会:碾压混凝土坝及龙滩碾压混凝土重力坝的渗流特性研究(二)