某泄水閘滲流及揚壓力分析

王冠昌，金居平

（浙江禹川勘測設計有限公司,浙江 桐鄉 314500）

0 引言

我國大部分地區水電資源豐富,隨著國家科技、經濟的發展,大量的水利工程應運而生。而這些項目往往難度較大,對設計人員和施工人員的技術水平也是一種巨大的考驗。對于規模較大的水利項目往往建立在強度高、承載能力強、抗變形能力強、結構完整的基巖上,但實際上巖體通常都有著裂隙,水分會在這些裂隙中流通會對裂隙形成附加應力,從而降低裂隙的有效應力,對基巖的穩定性造成負面影響[1-3]。大型的水利工程通常建設在變形小,結構完整的基巖上。所以研究巖體滲流對水利工程有著非常關鍵的作用,眾多學者對此也進行了廣泛的研究[4-7]。

基于此,為了研究巖體裂隙滲流對水利工程的影響,本研究以某大壩泄水閘為例,根據其基巖的結構特點,通過建立數值模型分析水閘裂隙巖體的滲流情況。

1 大壩泄水閘概況

實體重力壩為某水利樞紐大壩類型,其壩高92 m。所研究泄水閘位于左岸階地,區域高程為24 m～44 m。郁江階第D1y1-2 層至第D1y1-4 層和那高嶺組的第D1n13-2 至第D1n13-4 層為泄水閘壩基的主要地層。此區域郁江階巖性主要是灰巖、泥質灰巖,那高嶺組巖性主要是泥巖、泥質粉砂巖和含泥細砂巖。巖層產狀表現為從下游側走向N15°～30°E,傾角為22°,傾向SE。主壩區地質構造類型較多,比較復雜,發育又裂隙、斷層、褶皺、層面等,但各類型構造的發育程度因地貌單元而異。單斜巖層為主壩區主要類型,產狀比較穩定。泄水閘閘壩部位有8 條明顯出露的斷層,且都和壩軸線相交。通過實地勘測水電站28#、27#、26#壩段的地質情況,發現場地裂隙大部分產狀離散,且為陡傾角。

2 離散元滲流模擬

2.1 建立滲流模型

因為裂隙巖體屬于非連續介質,所示選擇離散元程序來對其進行模擬。由于對水閘壩基巖體的滲流進行三維分析比較困難,并且壩基巖體地質類型較多,結構分布復雜,很難全面地掌握壩基巖體的滲流情況。所以此次研究選擇二維模型來對壩基巖體的滲流進行模擬。通過地質勘查報告能夠得出28#壩段閘室下部存在一發育的斷層,其會對此壩段的滲流狀態造成嚴重的影響,所以此次研究將此壩段作為對象進行模擬,通過離散元軟件來對泄水閘和其下部基巖的模型進行建立,模型圖見圖1。

圖1 28#壩段模型圖

2.2 選擇模型參數

對于巖體參數,主要包括土體抗剪強度、密度等,具體見表1。在進行滲流過程中比較重要的參數有裂隙隙寬ares、裂隙初始隙寬ao和滲透系數kj,參數具體取值見表2,動力學的相關參數為地表和基巖的地震動峰值加速分別為0.171g和0.136g,特征周期均為0.45 s。

表1 巖體和帷幕相關參數

表2 結構面水力學參數

2.3 選擇模型參數

選擇合適的邊界條件能夠使模型模擬得出的結果更加準確,對于此次所用模型,因為設置的模型尺寸超過了實際重點研究區,所以在此次所用模型中固定其左右邊界和底部邊界,將模型的邊界速度設置成0。再根據正常蓄水位（上下游水位分別為62 m 和23 m）來設置水壓力。離散元軟件能夠根據實際地震記錄值來模擬地震反應,因為不能直接設定邊界加速度,所以能夠將其轉變成應力,并且考慮到在現實中整個項目都會有地震荷載,所以將邊界兩側的應力值設置為最大值的一半。

3 分析滲流計算結果

3.1 有無防滲帷幕在無動力作用下的結果分析

此次選擇28#壩段模型來計算其有帷幕和無帷幕時的滲流,并根據結果對其防滲帷幕的作用進行分析和驗證。模擬選擇的工況為大壩處于正常水位（上下游水位分別為62 m 和23 m）,水壓施加荷載時都垂直于上下游基巖。因為設置的模型大小要遠遠大于實際重點研究區,所以在計算時設置邊界為不透水邊界。對壩段滲流模擬計算后得到裂隙巖體滲流結果,見圖2 和圖3,圖中線段代表模型中滲流的賦存情況。從圖2和3能夠得出,裂隙巖體滲流大多出現在導水管道中（裂隙、斷層等 。滲流在整體上形成一條閉合回路,與滲流在實際工程中的情況相接近。從圖3 能夠得到,當壩段有帷幕時,與圖2 無帷幕裂隙巖體相比其滲流量大大減小,特別是壩底部位的流量減小幅度較大,所以能夠得出防滲帷幕有較好的防水效果。

圖2 無帷幕時28#壩段滲流模擬圖

圖3 有帷幕時28#壩段滲流模擬圖

從上述模擬結果能夠得到,防滲帷幕能夠很好地隔絕裂隙巖體的滲流,為了進一步分析防滲帷幕的防滲效果,對其開展定量分析,在壩段布設了一些監測點,因為28#壩段內有一斷層F215 穿過,所以在斷層左右和內部設置監測點,具體見圖4。各監測點中1、4、6、7、8 號點在同一個結構面上,其主要功能是對壩底揚壓力進行記錄,并通過測得的揚壓力來評價滲透壓力。同時有無帷幕時的工況相類似,所以監測點在有帷幕時的布置未發生改變。有無帷幕時28# 壩段流量比較圖見圖5（a）。從圖中能夠看出,模型中未設置防滲帷幕時,監測所得流量最大值、最低值和平均值分別是2.7×103m3/s、1.67×103m3/s 和2.27×103m3/s；模型中設置防滲帷幕后,監測所得流量最大值、最低值和平均值分別是2.13×103m3/s、1.12×103m3/s 和1.73×103m3/s,結構面內的流量平均值縮小至0.54×103m3/s,降低幅度達23.3%。圖5（b）為28#壩段有無帷幕時各監測點測得模型最終收斂時的揚壓力比較結果。從圖5（b）中能夠得出,有帷幕時的揚壓力要低于無帷幕工況,7 號測點位于帷幕左側,所以無論帷幕是否存在,其數值都相同。同時有帷幕時和無帷幕時的平均揚壓力值分別為0.43 MPa 和0.56 MPa,前者與后者相比降低了近30%。從圖5（b）能夠得出,8 號監測點的揚壓力明顯低于其余監測點,對此現象進行分析發現8 號監測點位置處于斷層內部,繼而得出地下水流過斷層中的裂隙,且斷層中存在斷層泥,減小了斷層內的裂隙寬度,從而導致滲流量和揚壓力減小。

圖4 28#壩段監測點布設情況

圖5 28#壩段各監測點揚壓力、滲流量對比圖

3.2 分析動力作用下滲流變化情況

選擇28#壩段模型來對其動力作用下滲流的變化進行計算,模擬所選工況為大壩處于正常水位（上下游水位分別為62 m 和23 m）,圖6 和圖7 為裂隙巖體在有動力荷載時的滲流情況。圖中線段代表模型中滲流的賦存情況。從圖6 和圖7 中能夠得到,裂隙巖體滲流大多出現在導水管道中（裂隙、斷層等）。滲流在整體上形成一條閉合回路,與滲流在實際工程中的情況相接近。但無論動力作用是否存在,滲流場區域均未發生明顯變化,表示裂隙巖體滲流情況基本不會受到動力作用的影響。

圖6 無動力作用時28#壩段滲流模擬圖

圖7 有動力作用時28#壩段滲流模擬圖

從圖6 和圖7 中能夠得出,加上動力荷載后使滲流量表現出略微增大,因此為了深入分析裂隙巖體是否會被動力作用影響,選擇圖4 布設的監測點來對其揚壓力進行分析。

有動力作用時28#壩段流量比較圖見圖8（a）。從圖8（a）中能夠得出,加上動力荷載能夠明顯增大滲流量,滲流量在無動力工況和有動力工況的平均值分別為2.13×10-3m3/s和2.66×10-3m3/s,提高了近19.9%。圖8（b）為28#壩段有無帷幕時各監測點測得模型最終收斂時的揚壓力比較結果。從圖8（b）中能夠得出,揚壓力在有動力荷載時較大,且揚壓力在有帷幕工況和無帷幕工況下的平均值分別為0.743 MPa 和0.589 MPa,增加近20.7%。綜上所述,能夠得出當結構面中孔隙水壓力顯著提高時,表示外部荷載會對巖體裂隙造成一定的影響,使其出現體積應變,繼而增大了孔隙水壓力。

圖8 有無動力時28#壩段各監測點滲流量和揚壓力對比圖

4 結論

本研究以某大壩泄水閘為例,根據其基巖的結構特點,通過建立數值模型分析了水閘裂隙巖體的滲流情況,得出以下結論：

1）未設置防滲帷幕時,監測所得流量最大值、最低值和平均值分別是2.7×103m3/s、1.67×103m3/s 和2.27×103m3/s；模型中設置防滲帷幕后,監測所得流量最大值、最低值和平均值分別是2.13×103m2/s、1.12×103m2/s 和1.73×103m3/s,結構面內的流量平均值減小了0.54×103m3/s,減小了23.3%。

2）有帷幕時的揚壓力要低于無帷幕工況,有帷幕時和無帷幕時的平均揚壓力值分別為0.43 MPa 和0.56 MPa,前者與后者相比降低了近30%。

3）加上動力荷載能夠明顯增大滲流量,滲流量在無動力工況和有動力工況的平均值分別為2.13×10-3m3/s 和2.66×10-3m3/s,提高了近19.9%；揚壓力在有帷幕工況和無帷幕工況下的平均值分別為0.743 MPa 和0.589 MPa,增加近20.7%。