基于ADINA的里底水利樞紐施工期三維滲控措施分析

杜萬軍， 李 青

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

里底水利樞紐施工期采取了上下游圍堰與明渠導(dǎo)流的方式，為確保樞紐區(qū)施工場(chǎng)地安全以及防排措施[1-2]的有效性，通常需要對(duì)整個(gè)樞紐區(qū)滲流場(chǎng)[3]分布情況和滲流量[4]分析計(jì)算。尤其對(duì)于大型水利工程而言，其綜合滲控系統(tǒng)[5-6]通常非常復(fù)雜，各措施之間聯(lián)系緊密。文中采用三維有限元法[7]，建立該樞紐施工期三維滲流模型[8-9]，模擬不同工況下樞紐區(qū)滲流場(chǎng)的分布情況以及不同防排措施對(duì)滲流場(chǎng)的相互影響和作用，明確了復(fù)雜防排系統(tǒng)在整個(gè)樞紐施工階段對(duì)滲流場(chǎng)的控制作用[10-11]，并通過計(jì)算滲流水量來布置集水井?dāng)?shù)量。對(duì)所設(shè)防排措施的合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)，保證樞紐區(qū)安全施工。

1 工程概況及研究方法

1.1 工程概況

里底水電站地處云南省瀾滄江上游干流，水庫(kù)正常蓄水位為1 818 m，死水位為1 814 m，校核洪水位為1 818.9 m，總庫(kù)容為0.745億m3，電站裝機(jī)容量420 MW。壩址地層基巖分布主要以二迭系上統(tǒng)下段(P2a)：墨綠色、深灰色斜長(zhǎng)石絹云母石英千枚巖夾變質(zhì)砂巖、微晶片巖為主。樞紐施工期上下游設(shè)置圍堰，上游圍堰堰頂高程1 800 m，下游圍堰堰頂高程1 778 m。施工期，上游水位1 799 m，下游水位1 777 m。為了有效降低導(dǎo)流明渠底部揚(yáng)壓力，上游采用一道帷幕，下游采用封閉帷幕方案。灌漿廊道斷面尺寸為2.5 m×3.0 m(寬×高)，帷幕灌漿孔間距3 m，帷幕深度在20 m左右。施工階段需要通過滲流水量結(jié)果來布置集水井的數(shù)量。

1.2 研究方法

通常，綜合滲控措施數(shù)值模擬難點(diǎn)在于其空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和排水措施的簡(jiǎn)化。由于排水孔相對(duì)于整個(gè)樞紐區(qū)來說，可以忽略其尺寸效應(yīng)，所以將其簡(jiǎn)化成帶有節(jié)點(diǎn)的線條，再施加點(diǎn)荷載。排水孔上方廊道位置處于無壓流狀態(tài)，通過施加靜水頭來模擬實(shí)際廊道的排水情況，且上下游水位也采用靜水頭荷載，計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果比較吻合。

計(jì)算模型如圖1所示，向下游取7.5倍壩高，壩基向下取2倍壩高，左右岸分別取7倍和6倍壩高。計(jì)算模型由上向下包含河床覆蓋層、兩岸岸坡覆蓋層、左岸卸荷帶、強(qiáng)風(fēng)化層、弱風(fēng)化層以及完整基巖五個(gè)地層、防滲帷幕(包括明渠底部和上游壩址處)以及渠道襯砌、上下游圍堰、基坑等部分組成。在有限元軟件ADINA中建立三維施工期真實(shí)模型，模型大小為950 m ×892 m × 448.4 m(長(zhǎng)×寬×高)，共剖分為105 242個(gè)結(jié)點(diǎn)。基巖單元138 430個(gè)，弱風(fēng)化層單元8 943個(gè)，強(qiáng)風(fēng)化層單元91 258個(gè)，卸荷層單元1 890個(gè)，左右岸覆蓋層單元16 811個(gè)，河谷覆蓋層單元29 132個(gè)，均采用六面體單元網(wǎng)格劃分。圍堰單元1 968個(gè)，明渠體單元27 517個(gè)，帷幕單元7 719個(gè)，均采用四面體單元網(wǎng)格劃分，共計(jì)245 455個(gè)單元，模型計(jì)算參數(shù)如表1所示。

明渠底部的排水廊道、排水孔和帷幕灌漿廊道位置示意如圖2，排水孔間距3 m。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 典型斷面滲流場(chǎng)分布

通過有限元軟件進(jìn)行三維滲流計(jì)算，得到不同工況下典型斷面位置滲流場(chǎng)分布，結(jié)果如下。為研究基坑和明渠位置滲流場(chǎng)分布，分別選取兩個(gè)典型位置斷面水頭等值線圖進(jìn)行分析，基坑處典型斷面位置選在垂直于河流方向的基坑中部橫斷面位置，明渠處典型斷面位置選在順河向明渠中部縱斷面位置。為研究不同滲控措施在正常運(yùn)行和失效情況下對(duì)樞紐區(qū)滲流場(chǎng)的影響結(jié)果，計(jì)算工況分為四種。

工況一：所有洞室已襯砌，排水廊道、排水孔正常運(yùn)行，其它洞室襯砌，帷幕正常運(yùn)行。

工況二：排水廊道和排水孔失效，帷幕正常運(yùn)行。

工況三：排水廊道和排水孔正常運(yùn)行，明渠帷幕失效。

工況四：排水廊道、排水孔和帷幕全部失效。

根據(jù)四種工況下浸潤(rùn)線的分布結(jié)果：當(dāng)排水孔、排水廊道和防滲帷幕均正常運(yùn)行情況下，整個(gè)施工區(qū)域的浸潤(rùn)線基本上處于施工面以下；防滲帷幕、明渠底部排水廊道和排水孔均對(duì)浸潤(rùn)線降低作用顯著，其中帷幕延長(zhǎng)了水流的滲流路徑，明渠底部排水廊道和排水孔對(duì)浸潤(rùn)線降低幅度更大、效果更明顯。樞紐區(qū)整體水頭降低效果明顯，所以應(yīng)該確保帷幕和排水系統(tǒng)均正常運(yùn)行；在施工期間，上游圍堰截水使上游水位雍高(堰頂高程1 800 m)，圍堰附近滲流場(chǎng)變化明顯；而大壩建成后，上游水位將上升至正常蓄水位1 818 m，對(duì)大壩附近滲流場(chǎng)影響會(huì)更大，所以目前所設(shè)計(jì)的防滲帷幕及排水措施是合理且必要的。

施工期四個(gè)子工況下的滲流量匯總?cè)绫?所示：明渠上游和基坑的滲水量隨著排水、帷幕的失效呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)，綜合滲控措施均正常運(yùn)行時(shí)對(duì)明渠上、下游和基坑滲流水量控制效果較好；排水廊道和排水孔對(duì)收集到排水廊道的滲流水量排泄作用相當(dāng)重要，對(duì)滲入下游水量的控制作用沒有防滲帷幕顯著，帷幕失效導(dǎo)致滲入基坑水量增加了近2倍，綜合滲控措施均失效導(dǎo)致基坑滲水量增加3.9倍，很大程度上減小了進(jìn)入基坑和導(dǎo)流明渠下游的滲水量。可根據(jù)滲流量計(jì)算結(jié)果，選擇和布置集水井的規(guī)格和數(shù)量。

表1 模型計(jì)算參數(shù)[12]

圖1 三維有限元計(jì)算模型 圖2 綜合滲控措施模型

圖3 基坑斷面水頭等值線圖(m) 圖4 明渠斷面水頭等值線圖(m)

圖5 基坑斷面水頭等值線圖(m) 圖6 明渠斷面水頭等值線圖(m)

圖7 基坑斷面水頭等值線圖(m) 圖8 明渠斷面水頭等值線圖(m)

圖9 基坑斷面水頭等值線圖(m) 圖10 明渠斷面水頭等值線圖(m)

表2 施工期不同工況流量匯總表

2.2 明渠底部揚(yáng)壓力計(jì)算分析

從明渠上游向下游取模型底部節(jié)點(diǎn)計(jì)算其底板揚(yáng)壓力分布情況，計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

從圖11可以看出：防滲帷幕和排水系統(tǒng)布置越集中的區(qū)域，揚(yáng)壓力降低幅度越大，尤其是下游200～300 m位置明渠底部揚(yáng)壓力的下降非常顯著，最大降幅在10～15 m水頭左右；防滲帷幕與排水系統(tǒng)正常工作情況下，明渠底板揚(yáng)壓力最低，其中任何一種滲控措施失效，都會(huì)增大底板揚(yáng)壓力，最低增幅為9 m；對(duì)比四種不同計(jì)算工況，排水廊道和排水孔對(duì)揚(yáng)壓力降低效果要比防滲帷幕作用明顯，說明該排水措施的有效性和可行性。為持續(xù)降低導(dǎo)流明渠底部揚(yáng)壓力，可在初步設(shè)計(jì)排水孔3 m間距的基礎(chǔ)上，適當(dāng)?shù)臏p小至2 m間距并增加帷幕灌漿深度，進(jìn)一步提高施工導(dǎo)流的安全穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

本文對(duì)樞紐施工期綜合滲控措施進(jìn)行了合理的三維有限元數(shù)值計(jì)算，分析不同工況下防滲帷幕和排水措施對(duì)樞紐區(qū)滲流的影響效果，結(jié)論如下：

(1)顯然，排水孔和排水廊道加速了排泄?jié)B流水量，對(duì)樞紐區(qū)浸潤(rùn)線降低作用明顯，防滲帷幕延長(zhǎng)了滲透水流路徑，有效地減少了施工導(dǎo)流過程中從上游到下游的滲水量，尤其是滲入基坑的水量，綜合滲控措施的聯(lián)合使用對(duì)樞紐區(qū)浸潤(rùn)線和總水頭降低以及滲水量的控制起到了至關(guān)重要的作用。

(2)整個(gè)樞紐區(qū)在明渠施工導(dǎo)流過程中，設(shè)計(jì)綜合滲控措施能很大程度降低明渠底板揚(yáng)壓力，排水廊道和排水孔對(duì)明渠底部揚(yáng)壓力的影響效果比防滲帷幕較顯著一些，其中任何一種滲控措施失效都會(huì)大幅度增加明渠底部揚(yáng)壓力。綜合滲控措施均正常運(yùn)行，才能確保施工導(dǎo)流明渠的安全穩(wěn)定。

(3)根據(jù)不同工況計(jì)算結(jié)果建議如下：參考計(jì)算滲水量來確定集水井合理規(guī)格和數(shù)量，從而滿足收集和排泄?jié)B流水量要求，為施工導(dǎo)流提供依據(jù)。為提高滲控效果，可以適當(dāng)縮小排水孔間距，同時(shí)按照施工要求適當(dāng)增加帷幕灌漿深度，進(jìn)一步滿足樞紐區(qū)施工導(dǎo)流要求。