基于有限元的某水電站壩肩防滲墻優(yōu)化設計研究

姚鋒杰

(水利部山西水利水電勘測設計研究院,山西太原030024)

0 引 言

在水利工程中,滲流廣泛存在于堤壩之中。堤壩滲漏會導致管涌,引起滑坡甚至潰壩。目前國內外對于滲流破壞的處理措施一般是改善壩體材料抵抗?jié)B透破壞的能力,或者降低滲流出口比降和壩身浸潤線位置。滲流控制措施原則[1～4]是,“前鋪、截、堵”是在臨水側采取防滲鋪蓋、防滲斜墻和垂直防滲幕(墻)等防(截)滲措施,達到延長滲徑,降低水力坡降的目的;“后導、減、排”即在背水側采取反濾體、導滲溝、排水褥墊、排水減壓溝、減壓井等導滲和排水減壓措施,以降低壩后壓力水頭及水力坡降,防止?jié)B透變形破壞;“中壓、截”即采用蓋重措施處理,如吹填法和壓實填筑法,或者在堤體內設置防滲墻或者帷幕[5～13]。上述措施在實際選用時應因地制宜、搭配綜合使用,以滿足工程防滲要求。

滲流過程較為復雜,一般表現(xiàn)為滲透特性和邊界條件的復雜性,如滲透的各向異性和非均勻性,排水孔邊界及自由邊界等[1～4]。有關該問題的計算方法大致可以分為兩類:一類是解析解;一類是數(shù)值解,其中有限元方法較為常見。本文以某水電站壩肩的滲流問題為研究對象,選擇典型工程地質斷面,建立有限元計算模型,計算其滲流場。根據(jù)不同工況滲流場,評價壩肩防滲處理效果和防滲墻體的設計參數(shù)進行優(yōu)化。

1 工程概況及擬采取防滲措施

1.1 工程地質條件

右岸壩基地形呈階梯狀向岸內抬升,Ⅰ級臺面高程1 778 m～1 780m,寬65 m左右,其上有大河家小水電引水渠通過;Ⅱ級階地臺面前緣高程1 791 m。地表均為第四系全新統(tǒng)(Q4)階地堆積物,下伏第三系紅層。

地下水位埋藏于砂卵礫石層中:Ⅰ級階地區(qū)地下水埋深5.7 m左右,高程1 772.6 m左右;Ⅱ級階地區(qū)地下水位埋深16.0 m左右,分布高程1 775.5 m左右。當正常蓄水位1 783 m時,飽水層厚度相應增大。向岸里為Ⅲ級階地砂卵礫層,結構松散,強透水,有繞壩滲漏問題。

左岸壩基部位覆蓋層厚13 m～21 m,組成物質為沖、洪積砂卵礫石及含碎石土,上覆砂壤土層厚2 m～5 m,根據(jù)試驗成果和地層特點,壩基土物質組成和工程特性變化較大,需采取防滲處理。

當正常蓄水位1 783 m時,飽水層厚度相應增大。向岸里為Ⅲ級階地砂卵礫層,結構松散,強透水,有繞壩滲漏問題。因此兩岸進行防滲處理。防滲處理措施為高壓旋噴防滲墻。

1.2 防滲措施及初步設計

擋水建筑物布置從左至右有:左副壩(土工膜心墻砂礫石壩)、安裝間、河灘廠房、3孔泄洪閘及右擋水壩(土工膜心墻砂礫石壩)。擋水壩為復合土工膜防滲心墻土砂礫石壩;壩體上游壩坡為1∶2.5,下游壩坡為1∶1.6,壩頂寬8.0 m,最大壩高25.5 m,壩基最大寬度111.17 m。土壩在壩體中心線上布置一道防滲復合土工膜并與設置在壩基處的混凝土防滲墻相接。防滲墻伸入基巖1.5 m,防滲墻向兩岸延伸暫按100 m考慮。

正常蓄水位1 783.0 m、死水位1 782.0 m、正常蓄水位時下游水位1 771.04 m、4臺機滿發(fā)時下游水位1 773.17 m、洪積塊砂卵礫石層允許滲透坡降0.12～0.15、沖洪積砂卵礫石層允許滲透坡降0.15～0.18。

2 計算模型及計算方案設計

2.1 計算模型

滲流計算均采用笛卡兒直角坐標系,以橫河向為x軸,指向左岸為正向;以順河向為z軸,指向下游為正向;以垂直向為 y軸,垂直向上為正。計算坐標原點選取在工程坐標(0,1742,0)處。

計算區(qū)域:上游邊界為壩軸線以上360 m,左岸邊界為左岸壩肩以左200 m,右岸邊界為右岸壩肩以右200 m,下游邊界為壩軸線以下334.5 m,基坑邊界為壩基以下50 m(至高程1 692 m)。在此范圍內進行三維數(shù)值計算模擬,圍堰滲流計算模型與坐標系如圖1所示。

圖1 滲流計算模型

上、下游圍堰計算區(qū)域內共涉及到8種材料,在模型中分別用不同的顏色表示,它們分別為:防滲墻,帷幕灌漿,覆蓋層Ⅰ,覆蓋層Ⅱ,基巖,廠房壩段,左右副壩壩體,復合防滲體。計算模型材料統(tǒng)計列于表1。

表1 滲流與穩(wěn)定計算參數(shù)

2.2 邊界條件及計算工況

2.2.1 邊界條件

計算中采用八面體等參數(shù)單元網(wǎng)格,為保證計算的精度,網(wǎng)格的長寬比控制在2∶1之內。對防滲墻,復合防滲體等關鍵區(qū)域的網(wǎng)格進行了加密,防滲墻網(wǎng)格單元控制在0.4 m×0.6 m以內,復合防滲體網(wǎng)格單元控制在0.3 m×0.4 m以內。對其它區(qū)域的網(wǎng)格尺寸進行了適當?shù)姆糯蟆Ｕ麄€模型共劃分出節(jié)點數(shù)146 492個,單元數(shù)為134 092個。

河道內全部為指定水頭邊界條件,其中上游水頭高度正常蓄水位1 783.0 m、死水位1 782.0 m,下游水頭高度 1 771.04 m(4臺機滿發(fā)時下游水位1 773.17 m)。

模型底部為不透水邊界。

根據(jù)兩岸山體與階地的排滲條件決定兩岸山體與階地的滲透邊界條件。

若在平水期兩岸水位高于河水位,滲流邊界條件為由兩岸向河床補給;蓄水后,滲流邊界條件為由河床向兩岸補給。由于水位相差不大,考慮到模型范圍較大,計算模型兩岸范圍內的水力梯度變化范圍不大的事實,計算中模型的左右兩側設為不透水邊界。

2.2.2 計算工況

根據(jù)該水電站工程上壩址上壩線工況,大壩右岸為覆蓋層,右岸防滲帷幕與壩軸線平行,滲透水流自上游河床先繞滲到防滲帷幕右側后,再滲到下游河床,滲流路徑為防滲帷幕的兩倍長度;而大壩左岸防滲帷幕與河床水流方向平行,滲透水流自上游河床順防滲帷幕左側直接滲到下游河床,滲流路徑與防滲帷幕長度相當。為使防滲效果達到最佳而又經(jīng)濟投入最小,經(jīng)過仔細研究,提出了按左右岸單位面積的最大滲流量(或滲流速度)相等的原則來確定左右岸防滲帷幕的長度。按此方法,建議左岸防滲帷幕的長度始終設為右岸防滲帷幕長度的兩倍。計算中共分以下工況進行:

壩前正常蓄水位1 783.0 m,下游正常蓄水位水頭高度1 771.04 m,工況1:右岸壩肩防滲墻長度50 m,左岸壩肩防滲墻長度加倍;工況2:右岸壩肩防滲墻長度75 m,左岸壩肩防滲墻長度加倍;工況3:右岸壩肩防滲墻長度100 m,左岸壩肩防滲墻長度加倍;工況4:右岸壩肩防滲墻長度125 m,左岸壩肩防滲墻長度加倍;工況5:右岸壩肩防滲墻長度150 m,左岸壩肩防滲墻長度加倍;工況6:右岸壩肩防滲墻長度100 m,左岸壩肩防滲墻長度125 m;工況7:右岸壩肩防滲墻長度100 m,左岸壩肩防滲墻長度150 m;工況8:右岸壩肩防滲墻長度100 m,左岸壩肩防滲墻長度175 m。

所有計算均在Seep3D下進行,計算采用穩(wěn)定滲流理論。

3 計算結果分析

3.1 右壩肩防滲墻優(yōu)化長度分析

根據(jù)滲流計算結果,按工況分別整理了總水頭云圖及關鍵部位的滲流特征值曲線。限于篇幅在此僅列出右岸壩肩50 m防滲墻,左岸100 m防滲墻工況的總水頭等值線和1 760 m高程水頭等值線圖,詳見圖2(a)～2(b)。

圖2 滲流結果

從圖2(a)～2(b)可知,左側由于防滲墻較長,所以滲透路徑相對右岸長,在圖中表現(xiàn)為水頭等值線和云圖密集;壩體處等值線密集,往兩側延出,彎向下游,說明壩體防滲措施得力,防滲墻兩側頭部等值線最密集,該處最容易發(fā)生流土或者管涌破壞,說明該部位水力坡降必須滿足設計允許值,否則還應繼續(xù)延伸防滲墻,直到墻體和自然坡體材料的水力坡降均滿足允許值。

從圖3(a)可知,壩軸線以下河床的滲漏量＜左岸山體繞壩滲流量＜右岸山體繞壩滲流量,隨著兩側防滲墻的延伸,滲漏量單調遞減,在右岸防滲墻長度100 m以后,滲漏量遞減幅度減小;從圖3(b)可知,右岸滲流出口、左岸滲流出口、右岸防滲墻位置的水力梯度都是隨著防滲墻長度的增加單調遞減的,左岸防滲墻位置的水力梯度則是隨著防滲墻長度的增加單調遞增的,說明隨著右岸防滲特性的改善,左岸防滲壓力增加。左右岸防滲墻長度需要尋找一個平衡點。從圖3(c)～圖3(d)可知,滲流速度是隨著防滲墻長度的增加單調遞減的,防滲墻端部的水頭值也是隨著防滲墻的長度遞減的。

綜合以上分析,再結合覆蓋層的允許水力坡降0.12～0.15的要求,則右岸防滲墻長度在100 m后可滿足要求,該工況下防滲墻的允許水力坡降也滿足要求。

圖3 各計算工況堰體最高水頭高程、監(jiān)測流量、出滲口流速、坡降曲線

3.2 左壩肩防滲墻優(yōu)化長度分析

在確定了右岸防滲墻的長度后,需要對左岸的防滲墻長度也進行優(yōu)化設計,在此基礎上,設計了左岸125m、150m、175 m長度防滲墻的滲流分析,結果整理成圖4。

圖4 各計算工況堰體最高水頭高程、監(jiān)測流量、出滲口流速、坡降曲線

從圖4(a)可知,壩軸線以下河床的滲漏量＜左岸山體繞壩滲流量＜右岸山體繞壩滲流量,隨著兩側防滲墻的延伸,滲漏量單調遞減;從圖4(b)可知,右岸滲流出口、左岸滲流出口、右岸防滲墻位置的水力梯度都是隨著防滲墻長度的增加單調遞減的,左岸防滲墻位置的水力梯度則是隨著防滲墻長度的增加單調遞增的。

從圖4(c)～圖4(d)可知,滲流速度是隨著防滲墻長度的增加單調遞減的,防滲墻端部的水頭值也是隨著防滲墻的長度遞減的。整體規(guī)律與右岸的類似。

綜合以上分析,再結合覆蓋層的允許水力坡降0.12～0.15的要求,則左岸防滲墻長度在150 m后可滿足要求,該工況下防滲墻的允許水力坡降也滿足要求。

4 結論與建議

根據(jù)設計的右岸防滲墻長度50 m、75 m、100 m、125 m、150 m,左岸防滲墻長度是其兩倍等5種計算工況滲流場分析,發(fā)現(xiàn)不同部位的滲漏量、滲流速度和水頭值均隨著防滲墻的延伸單調遞減,右岸防滲墻長度100 m時,滿足防滲設計要求。

在右岸防滲墻長度100 m時,模擬了左岸防滲墻長度125 m、150 m、175 m等3種計算工況的滲流場分析,發(fā)現(xiàn)不同部位的滲漏量、滲流速度和水頭值均隨著防滲墻的延伸單調遞減,左岸防滲墻長度150 m時,可滿足防滲設計要求。

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