干施工圍堰滲流穩(wěn)定數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)研究

黃靈武 楊宗宇 王 衎

(國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095)

?

干施工圍堰滲流穩(wěn)定數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)研究

黃靈武 楊宗宇 王 衎

(國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095)

以某電廠取水工程為例，對干施工圍堰滲流穩(wěn)定性進(jìn)行了有限元數(shù)值仿真模擬計(jì)算，論證了各工況下圍堤典型斷面的滲流穩(wěn)定性，研究了帷幕深度對滲流控制效果的影響，得出了一些有價值的結(jié)論。

圍堰，滲流場，防滲墻，穩(wěn)定性

1 工程概況

某電廠擬采用海水直流循環(huán)供水系統(tǒng)，需要在廠區(qū)建設(shè)循環(huán)水取、排水設(shè)施，截滲圍護(hù)設(shè)施由部分防波堤、明渠施工圍堰、廠區(qū)護(hù)岸內(nèi)截滲結(jié)構(gòu)及天然巖盤順次相接，共同組成一個封閉空間。為滿足干施工條件，需設(shè)干施工圍堰止水。干施工圍堰采用拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)，斜坡堤內(nèi)設(shè)柔性地連墻止水，并對底部巖基進(jìn)行帷幕灌漿處理。針對截滲結(jié)構(gòu)的重要性，在保證安全、經(jīng)濟(jì)、可行的前提下，需選擇合適的截滲結(jié)構(gòu)方案。

干施工圍堰滲流穩(wěn)定數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)的目的就是要根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用二維滲流模擬計(jì)算分析，在保證結(jié)構(gòu)滲流穩(wěn)定的前提下，開展取水工程滲流數(shù)值模擬計(jì)算，分析研究取水工程滲流穩(wěn)定性和防滲措施的可靠性，確定截滲結(jié)構(gòu)的合理入巖深度及帷幕灌漿深度，對截流結(jié)構(gòu)方案提出優(yōu)化建議，以滿足設(shè)計(jì)需要。

2 基本理論

采用二維非穩(wěn)定滲流數(shù)學(xué)模型：

對于符合達(dá)西定律的二向均質(zhì)各向異性的土體的滲流，其水頭函數(shù)為以下偏微分方程式：

(1)

與之相應(yīng)的定解條件為：

初始條件：

ht=0=h(x，z，0)

(2)

邊界條件：水頭邊界：

ht=t1=h(x，z，t)

(3)

流量邊界：

(4)

其中,z為坐標(biāo)位置高程；q為自由面下降或上升時從自由邊界流入或流出滲流場的單寬流量。

式(1)加上相應(yīng)的初始條件和邊界條件式(2)，式(3)就是描述地下水滲流的二維數(shù)學(xué)模型。采用有限單元法求解式(1)及相應(yīng)定解條件，其原理和實(shí)現(xiàn)方法具體參閱文獻(xiàn)[1]。

（6）Who Owns Your Dinner?A Discussion of America's Patented Genetically Engineered Food Sources,and Why Reform is Necessary（誰將擁有你的餐桌？論美國基因工程食品專利及其改革的必要性）。

3 計(jì)算與分析

選擇防波堤典型堤段來進(jìn)行不同工況下的二維穩(wěn)定和非穩(wěn)定滲流有限元法數(shù)值模擬計(jì)算，分析不同工況組合下滲流場和滲流特征值(滲流量、滲流水位、滲透坡降)，判別各工況下滲流穩(wěn)定性，并進(jìn)行柔性防滲墻和帷幕灌漿的模擬計(jì)算，論證防滲措施的可靠性，提出合理可行的優(yōu)化防滲措施。

3.1 計(jì)算參數(shù)

1)水位。50年一遇高水位：1.69 m。

流場分析用平均潮位水位：1.23 m，滲流岸坡穩(wěn)定計(jì)算水位：1.69 m。

2)波浪要素：考慮25年一遇波浪。

3)堤身及各土層的滲透系數(shù)或透水率，見表1。

3.2 模型布置

有限元網(wǎng)格布置見圖1。

整個模型沿防波堤軸線垂向剖分30個斷面，每個斷面上按實(shí)際土層高程進(jìn)行各土層的精確模擬，總計(jì)剖分結(jié)點(diǎn)26 244個，計(jì)算單元采用空間四面體單元，可適應(yīng)復(fù)雜多變的地下結(jié)構(gòu)與土層分布。單元布置原則是，滲流急變區(qū)(如防滲墻、帷幕等)附近單元密些，其他區(qū)相對疏些。

表1 滲流模型計(jì)算參數(shù)

3.3 計(jì)算工況

取水工程渠底開挖到-6.00 m時與外側(cè)潮位的滲流水頭差最大，因此考慮施工竣工期為研究典型工況。考慮水位組合工況包括：1)施工竣工期外側(cè)設(shè)計(jì)最高潮水位下防護(hù)堤及取水渠穩(wěn)定滲流場計(jì)算；2)施工竣工期外側(cè)設(shè)計(jì)潮水位變化過程和設(shè)計(jì)波浪過程防護(hù)堤及取水渠非穩(wěn)定滲流場計(jì)算。

考慮的防滲措施工況組合包括：

1)無防滲措施；

2)采用柔性防滲墻。

3.4 計(jì)算成果及分析

防滲墻方案滲流場計(jì)算。對防滲墻成墻后進(jìn)行了入巖深度和滲透性2種工況的數(shù)值模擬及敏感性計(jì)算分析，結(jié)果如下：

1)滲透量分析。

表2 典型斷面防滲墻

從表2計(jì)算結(jié)果來看，該斷面堤身由開山石構(gòu)成，滲透系數(shù)較大，防滲墻入巖深度的變化對下滲的滲透量影響比較明顯，而防滲墻滲透系數(shù)大小對滲漏量具有一定影響，但影響滲漏量的程度不如入巖深度敏感。因此選用防滲墻的幾何參數(shù)應(yīng)優(yōu)先考慮幾何尺寸，再考慮滲透性能。從防滲措施的施工工藝和安全角度，宜選擇防滲墻進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化層深度1 m～1.5 m，防滲墻滲透系數(shù)在10×10-7cm/s 以下可以滿足設(shè)計(jì)要求。

2)滲流穩(wěn)定性分析。

從表3可知，防滲墻滲透系數(shù)越低，防滲墻最大坡降越大，1號斷面防滲墻坡降在8～10，2號斷面防滲墻坡降在7～8，不同

滲透性的防滲墻均起到較好的防滲作用。

表3 上游水位1.23 m防滲墻不同滲透系數(shù)值典型斷面計(jì)算結(jié)果

表4為防滲墻不同入巖深度的滲流計(jì)算結(jié)果。從計(jì)算的11個斷面中可以看出，防滲墻坡降變化范圍比較大。最小防滲墻坡降為2號斷面，為3.8,該斷面堤身由原有土層構(gòu)成，且滲透性較小，該斷面防滲墻防滲效果相對不明顯。而對于堤身由開山石筑成的斷面，防滲墻防滲效果較為明顯，防滲墻最大坡降在7～12。對于同一個斷面，防滲墻進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化層深度對防滲效果敏感度也不一樣，對于1號、6號、9號斷面防滲墻坡降隨入巖深度變化較為敏感，入巖深度每增加0.5 m，坡降變化范圍在0.2～0.9內(nèi)。

表4 上游水位1.23 m防滲墻入巖不同深度計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論及建議

綜合有限單元法滲流模擬計(jì)算分析成果，有如下結(jié)論：

1)采用二維地下水滲流數(shù)值模型進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果表明：無防滲的干法施工方案滲漏總量較大，無法保證干法施工的有效實(shí)施，因此必須進(jìn)行防滲處理，采用防滲墻截?cái)嗤杆畬咏Y(jié)合基巖帷幕灌漿方案截?cái)嗷鶐r滲透的方案是合適的。

2)截滲圍護(hù)設(shè)施中柔性地下防滲墻防滲作用較為明顯，其下切高程必須截?cái)嗤杆畬樱虼说叵逻B續(xù)墻下切底高程需在強(qiáng)風(fēng)化層內(nèi)1 m～1.5 m，此時滲流量和出逸坡降均較小。

3)防滲墻滲透系數(shù)大小對滲漏量具有一定影響，但影響滲漏量的程度不如入巖深度敏感。因此選用防滲墻的幾何參數(shù)應(yīng)優(yōu)先考慮幾何尺寸，再考慮滲透性能,施工時需根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況調(diào)整防滲墻深度。

[1] Wibbeler,H.,Meissner,U..FEM Model for seepage flow through rubble mound breakwaters[J].Mathematical Modeling in Water Resources,1992(10):609.

Numerical simulation research on seepage stability of cofferdam under dry construction

Huang Lingwu Yang Zongyu Wang Kan

(StateNuclearElectricPowerPlanningDesignandResearchInstitute,Beijing100095,China)

Taking the water intake engineering of the power plant as an example, the paper carries out finite element simulation calculation of the dry-construction cofferdam seepage stability, discusses seepage stability of different cofferdam sections under various working conditions, studies the impact of curtain depth upon seepage control effect, and finally draws some valuable conclusions.

cofferdam, seepage field, diaphragm wall, stability

1009-6825(2016)28-0090-02

2016-07-28

黃靈武(1984- )，男，工程師

TU413.62

A