防滲帷幕在大壩壩基防滲應用效果研究

麻海花

(當涂縣水利局 沿江水利管理服務中心,安徽 馬鞍山 243100)

0 引 言

目前,隨著我國混凝土預制和現澆強度的提高,蓄水工程壩體均呈現良好的力學和水力學耦合性能,但在工程修建完成后,沿壩體產生于壩基中的繞流現象極大地威脅著工程安全。為此,許多學者進行了相關研究。魏文禮等［1］針對丁壩繞流現象,綜合運用氣液兩相和大渦模型進行三維水力特性數值模擬研究。結果表明,通過設置平行導流墻,且將其長度設置為與丁壩壩軸線長度一致的措施,能夠對產生的漩渦現象起到較好的限制作用。蔣胡玲［2］等研究了不同結構體對水流繞流現象的影響,結果表明,進占比相同時,梯形結構體、方形丁壩、堆積體對水流流態影響程度依次減小。張博等［3］采用有限元方法,針對羊曲水電站堆石壩開展了三維滲流模擬分析。結果表明,當前設計中針對壩體與壩基的計劃防滲手段能夠滿足工程設計要求。洪石笙等［4］提出了有關礦山截污庫壩滲漏現象的一系列工程治理措施,滿足了庫壩防滲的設計閾值,起到了有效改善滲漏現象的良好效果。姚振鋒等［5］針對極端氣候條件下引起的潰壩現象造成的直接災害進行了研究,結果表明,潰壩時水流滑落形成凸包形態的潰壩波是導致建筑物破壞的主要原因。

由以上分析可知,目前的研究成果多集中于壩體及壩基滲流問題,且部分研究成果對水流沿壩體在壩基中的繞流現象已有所揭示。本文以某擬建大壩為研究對象,采用MIDAS/GTS進行壩基水流的三維數值模擬研究,通過對比4種工況(缺失止水帷幕、止水帷幕未穿過風化巖體、止水帷幕完全穿越風化巖體)條件下的滲流速度變化特征,提出較為合理的止水帷幕設置位置和設計長度。

1 工程概況

某擬建水庫設計蓄水深度25m,大壩采用鋼筋混凝土重力式壩,壩高為30m。在混凝土壩體下部的基礎主要是花崗巖的風化巖體,靠近壩體的表層巖土體為風化花崗巖巖體,向下依次為微風化和新鮮花崗巖體,擬建工程模型見圖1。

圖1中,H為止水帷幕深度;h為設置止水帷幕處弱風化巖層厚度,h=10.5m。巖土體的相關物理力學參數及其水力特性見表1。

表1 地層參數

2 數值模型建立

采用MIDAS/GTS軟件,按照上述擬建工程模型進行建模分析。通過網格劃分,將構建的模型劃分為具有6 668個的單元體、包含節點6 601個的數值計算模型。按照試驗所得各土層物理力學參數,對各層巖土體進行屬性設置和賦值,包括滲透系數等相關水力學參數的設置,計算模型采用摩爾-庫倫模型。

數值計算模型圖見圖2。

圖2 計算模型圖

邊界條件設置:設計蓄水深度為25m,壩體直角邊為上游蓄水側,設計水頭為25m,梯形邊為下游零水位條件,采用滲流邊界,分析計算在蓄水25m深度時,止水帷幕如圖2所示設置位置不同設計深度(H=0、5、15、20m)時,壩體下方巖土體中的滲流情況,以確定合理的設計止水帷幕深度,模型底部設置為不透水邊界。

3 計算結果分析

為了對不同止水帷幕設置條件下的防水效果進行分析,分別進行0、5、15、20m止水帷幕設置深度條件下的壩基巖土體滲流速度的求解計算。通過MIDAS/GTS軟件自帶的導出圖形選項,選擇相應滲流速度參數的計算結果云圖進行導出。

3.1 不設置止水帷幕

為了對不設置止水帷幕條件下壩基巖土體的滲流特征進行分析,繪制0m止水帷幕設置深度條件下的壩基巖土體的滲流速度場,見圖3。

圖3 無止水帷幕滲流速度場

由圖3可知,不設置止水帷幕條件下最大滲流速度約1.148m/d,不能滿足工程要求,需進行止水帷幕的設置。

3.2 止水帷幕5m

為了研究止水帷幕深度為5m的滲流速度變化,導出該條件下的滲流速度場,見圖4。

圖4 設置長5m止水帷幕滲流速度場

由圖4可知,最大滲流速度約1.476m/d,而邊坡下部巖土體中的滲流速度基本介于2.46×10-1～8.61×10-1m/d,二者明顯大于不設置止水帷幕的最大滲流速度1.148m/d及其下部巖土體中的滲流速1.91×10-1～7.66×10-1m/d。因此,該壩基巖土體止水帷幕5m深度條件下,不能滿足工程要求。

3.3 止水帷幕15m

導出15m止水帷幕設置深度條件下的滲流速度場,見圖5。

圖5 設置長15m止水帷幕滲流速度場

由圖5可以得出,最大滲流速度約為1.18×10-1m/d,其下部巖土體中的滲流速度為1.91×10-1～7.66×10-1m/d,下部巖土體中的滲流速度明顯增大。

3.4 止水帷幕20m

為了分析止水帷幕穿越壩基中的風化花崗巖巖土層后延伸更長距離條件下的滲流速度變化,導出20m止水帷幕設置深度條件下的滲流速度場,見圖6。

圖6 設置長20m止水帷幕滲流速度場

由圖6可知,最大滲流速度約5.278×10-2m/d,而邊坡下部巖土體中的滲流速度顯著減小。表明該壩基巖土體在設置止水帷幕20m深度條件下,工程防滲效果較好。

4 結 論

本文依托某大壩工程,基于MIDAS/GTS軟件進行了三維滲流模擬分析。結果表明,不設置止水帷幕的壩基不能滿足防滲要求;加大止水帷幕設置深度能夠使截水防滲漏效果顯著提高,但隨著止水帷幕深度的增加,帷幕下部土體中的滲流速度明顯增大;當止水帷幕設置深度為20m時,最大滲流速度約為5.278×10-2m/d,可以滿足防滲要求。因此,選擇深20m止水帷幕的止水方案較為合理。研究成果可為類似工程地質條件下的壩基防滲設計提供參考與借鑒。