基于數值模擬的土石壩防滲墻滲流穩定性分析

賀仁臣

(深圳市深水水務咨詢有限公司,廣東 深圳 518000)

1 概 述

據統計,截至2011 年,我國已建完且投入使用的水庫大壩約98 000 座。 調查顯示,在大壩所引發的事故中,最常見的主要是由于滲流導致的。

目前,相關研究主要集中于大壩防滲穩定性方面。 包騰飛等[1]基于非線性有限元分析,系統研究了深厚覆蓋層上的面板堆石壩防滲布置最優方式。 結果表明,采用單連接板和單防滲墻體系的防滲方案是具有結構簡單、造價低的防滲布置方案。 溫立峰等[2]基于數值分析,研究了深覆蓋層上面板堆石壩防滲墻應力變形規律。 結果表明,大壩采用分期填筑的方式可有效降低防滲墻的變形,其中防滲墻的貫入深度越大,大壩的安全性越高。 柳瑩等[3]基于現場實測數據,系統研究了深厚覆蓋層防滲墻滲流穩定性。 結果表明,實際工程中,提高監測儀器成活率和監測數據精度,更直觀準確反映各因素對防滲墻的影響規律和防滲墻的運行性狀變化。 羅玉龍[4]等估計與多孔介質滲流理論,系統研究了深厚覆蓋層中新型擴底防滲墻的防滲效果。 結果表明,擴底結構形式的防滲墻與常規形式相比,能夠顯著降低防滲墻端部和下游壩腳出溢處的最大坡降。此外,防滲墻端部的最大滲透坡降和下游壩腳出溢處的最大滲透坡降隨著擴底結構半徑增大而減小。 王正成等[5]基于數值模擬,研究了深厚覆蓋層弱透水層對防滲墻防滲效果的影響。 結果表明,半封閉式防滲墻可以有效減小壩基滲流及壩基出逸坡降。 在實際工程中,防滲墻和弱透水層聯合防滲,可顯著提高垂直防滲墻的控滲效果。

針對目前對于防滲墻滲流穩定性的相關研究較少,本文建立數值計算模型,系統研究防滲墻滲流穩定性,研究結果可為大壩防滲墻的設計及加固提供參考與借鑒。

2 工程概況與數值模型

本文研究的壩體采用粉質黏±心墻壩,最大壩高30.4m,校核洪水位3 402m。 根據現場鉆孔資料揭示,壩址所在地層由上到下：第一層為沖積礫石層,厚度3～30m;第二層為沖積礫石層,厚度為30～50m;第三層為上更新統的沖積礫石層,厚度為60～80m。

根據大壩的實際情況,建立數值計算模型。為了模擬防滲墻和巖±體的接觸,本文在兩者之間設置Goodman 接觸單元。 最終模型的網格總數為25 780 個,節點單元為27 980 個。 模型典型斷面圖見圖1。

圖1 大壩典型剖面圖

模型方向假定河水流向為X 軸,與河水流向垂直為Y 軸。 數值模型中,網格劃分均采用四邊形單元;巖±體本構為摩爾-庫倫模型。 計算模型中,材料滲透系數見表1;材料物理力學參數見表2。

表1 材料滲透系數

表2 材料物理力學參數

考慮本文研究內容,計算工況主要選取4 種：①防滲墻最大深度92m,滲透系數見表2;②防滲墻位置為覆蓋層I 底面,覆蓋層II 與覆蓋層I 滲透系數比值為0～2;③防滲墻位置為覆蓋層II 底面,覆蓋層III 與覆蓋層II 滲透系數比值為0～2;④防滲墻位置為覆蓋層III 底面,強風化基巖與覆蓋層III 滲透系數比值為0～2。

3 結果與分析

3.1 防滲墻深度對滲流場影響分析

圖2 為工況1 防滲墻深度與滲流量及占來水量關系。 由圖2(a)可知,壩基滲流量和總滲流量隨防滲墻的深度增大而減小,而壩體滲流量基本保持不變。 在防滲墻深度為40m 以下時,壩基滲流量和總滲流量隨防滲墻的深度增大而減小速度非?？?當防滲墻深度大于40m 時,兩種滲流量的變化速率趨于平緩,即防滲墻深度的增大對滲流量的影響程度越來越小。 由圖2(b)可知,隨著防滲墻深度的增大,占來水量比隨之減小,且隨防滲墻深度逐漸增大,占來水量比的影響越來越弱,其中控制滲漏量占來水量小于1%。 綜合以上分析可知,防滲墻深度大于40m,即可滿足防滲要求。

圖2 工況1 防滲墻深度與滲流量及占來水量關系

圖3 為工況1 水力坡降與滲流量關系。 由圖3(a)可知,防滲墻底部水力坡降隨防滲墻深度增大而增大,但當防滲墻深度大于40m 時,水力坡降增大速度趨于平緩。 而水力坡降隨深度增大呈折線變化規律,在防滲墻深度分別為40 和90m 時,出現最大的水力坡降。 由圖3(b)可知,工況1 出逸點水力坡降隨防滲墻深度的增大而逐漸減小,當防滲墻深度大于40m 時,水平坡降變化逐漸趨于平緩。 綜合來看,隨防滲墻深度增大,墻體的水力坡降均小于混凝±允許坡降。 當防滲墻深度大于40m 時,大壩后出逸水力坡降迅速減少,并且可以滿足覆蓋層的允許水力坡降,因此壩體是安全的。

圖3 工況1 水力坡降與滲流量關系

圖4 為工況2 防滲墻深度與滲流量及占來水量關系。 由圖4(a)可知,壩基滲流量和總滲流量隨防滲墻的深度增大而減小,而壩體滲流量基本保持不變。 在防滲墻深度為40m 以下時,壩基滲流量和總滲流量隨防滲墻的深度增大而減小速度非?？?當防滲墻深度大于40m 時,兩種滲流量的變化速率趨于平緩,即防滲墻深度的增大對滲流量的影響程度越來越小。 由圖4(b)可知,隨著防滲墻深度的增大,占來水量比隨之減小,且隨防滲墻深度逐漸增大,占來水量比的影響越來越弱。 此外,圖5 為工況2 水力坡降與滲流量關系。 綜合來看,工況2 相關的大壩滲流量及防滲墻的水力坡降變化規律基本與工況1 相似。 防滲墻深度大于40m 時,大壩后出逸水力坡降迅速減少,因此壩體是安全的。

圖4 工況2 防滲墻深度與滲流量及占來水量關系

圖5 工況2 水力坡降與滲流量關系

3.2 材料滲透系數敏感性分析

圖6 為不同工況下防滲墻水力坡降與滲透系數比的關系。 由圖6 可知,當無量綱滲透系數小于1,隨著滲透系數比的增大,不同工況下防滲墻底部水力坡降減小,但影響速率越來越平緩。但綜合來看,水力坡降大于覆蓋層的允許水力坡降。 由于防滲墻的存在導致水流通過受阻,且防滲墻深度越大,墻體兩側壓力差越大,導致底部水力坡降增大。

圖6 水力坡降與滲透系數比關系

在實際工程中,對于封閉式防滲墻而言,由于覆蓋層與基巖滲透系數差異性非常大,因此防滲墻深度需嵌入到基巖中,這樣可有效避免防滲墻底部水力坡降導致的局部沖刷破壞。

4 結 論

本文采用數值模擬,系統研究了混凝±防滲墻在不同工況下的滲透穩定性。 結論如下：

1)不同工況下,壩基滲流量和總滲流量隨防滲墻的深度增大而減小,而壩體滲流量基本保持不變。 在防滲墻深度為40m 以下時,壩基滲流量和總滲流量隨防滲墻的深度增大而減小速度較顯著。

2)防滲墻深度對滲流場影響分析表明,當防滲墻深度大于40m 時,滲流量的變化速率趨于平緩。 在實際工程中,防滲墻深度大于40m,即可滿足防滲要求。

3)當無量綱滲透系數小于1 時,隨滲透系數比的增大,不同工況下防滲墻底部水力坡降減小,但影響速率越來越平緩。 對于封閉式防滲墻而言,由于覆蓋層與基巖滲透系數差異性非常大,因此防滲墻深度需嵌入到基巖中,這樣可有效避免防滲墻底部水力坡降導致的局部沖刷破壞。