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_

1、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 (续上期 4411 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

2、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 110510-7cm/s

3、与 914910-10cm/s 和 111410-7cm/s 与 612910-9cm/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个独立的渗透系数 (k x x 、 k xy 、 k xz 、 k yy 、 k yz 和 k zz 分别为 (116810-5cm/s 、 -2. 5010-5cm/s 、 -113310-5cm/s 、 810410-5cm/s 、 -0146-5cm/s 、 214410-5cm/s 、 (

4、019110-5cm/s 、 -1. 3310-5cm/s 、 -0. 7410-5cm/s 、 4. 3110-5cm/s 、 -0. 2610-5cm/s 、 113510-5cm/s 和 (014110 -5cm/s 、 -0. 6210-5cm/s 、 -0. 3110-5cm/s 、 1. 9910-5cm/s 、 -0. 1110-5 cm/s 、 0. 5710-5cm/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 51010-6cm/s 。两帷幕内侧分别 有上下游排水幕 ; 另

5、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

6、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8第 18卷第 2期 红水河 Vol. 18,No. 2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

7、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 11010-10cm/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

8、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 。 , 即为 11010-9s 和 1110时 , 坝体中的渗 2(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

9、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 :m9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 。

10、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 , 用 , , 下 制 。 , 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

11、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 。可见 , 在碾, , 排水孔的排 , 见图 5b , 20m 时 , 排水孔还能较好地控 。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 6 m 。 进一步的计算还表明 , 排水孔孔径 大小的

12、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 :m1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 :m41314 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

13、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 14189m , 且自由面以下坝中的等水头线几 乎呈水平向分布 , , , 除防渗帷幕, 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

14、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

15、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1 K. D. Hansen ,W. G. Reinhardt :Roller Com pacted Concre

16、te Dams ,Mc Graw -Hill ,Inc. ,1991.2 M. H. R. Dunstan :Design and construction considerationsfor roller -compacted concrete dams , In :Procs. of the Six 2teenth Congress on Large Dams , Vol. ,pp. 453468, 1988.3 E. K. Schrader ,D. Namikas :Performance of roller com pact 2ed concrete dams , In :Procs.

17、 of the Sixteenth Congress on Large Dams ,Vol. ,pp. 339364,1988.4 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 :Validityof cubic law for fluid flowin a deformable rock fracture ,WRR ,pp. 10161024,1980. 6 朱岳明 、 黄文雄 1碾压混凝