某面板堆石壩施工及運行期滲流特性仿真研究

吳俊衡,馬富強,李海波

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司,貴陽 550002)

0 引 言

滲流穩(wěn)定及控制是混凝土面板堆石壩安全建設和運行的核心問題之一[1],其上游方向的混凝土面板是作為面板堆石壩的主要防滲結構,承受較大的水頭落差,對于壩體滲流的安全穩(wěn)定性至關重要。但在工程運行期,常存在一些滲流問題[2-3]。水庫水位驟升或驟降時,壩體內(nèi)滲流場短時間內(nèi)會發(fā)生較大變化,影響壩體尤其是上游迎水坡的穩(wěn)定性,可能引起安全系數(shù)下降[4-5]。同樣,在不同水位下,壩體滲流場的水頭分布、浸潤線和滲透坡降會有所不同,需要分析總結在正常和極端工況下壩體滲流場的特性和規(guī)律,才能為壩體的滲流穩(wěn)定提供全面的依據(jù)和參考。

目前,國內(nèi)許多專家都論證了混凝土面板對于壩體防滲的重要作用。在面板完好的條件下,面板堆石壩壩體的滲透穩(wěn)定性很容易滿足要求。但在面板止水破損和面板失效的不利條件下,過渡區(qū)的滲流控制作用對大壩的滲透穩(wěn)定性具有關鍵意義[6]。張鳳財?shù)萚7]探討了面板出現(xiàn)裂縫、墊層滲透性等對壩區(qū)滲流場的影響,論證了面板對于抗?jié)B穩(wěn)定的必要性,但未計算水位變化時,壩體內(nèi)滲流場的變化情況。方致遠等[8]研究了水位驟降下面板堆石壩上游蓋重區(qū)的穩(wěn)定性,但對于面板及墊層滲流的影響仍需要進一步探討。宋建慶[9]論證了極端工況下面板堆石壩的滲流穩(wěn)定性,但缺少在施工期無面板防滲而改變的滲流場特性分析,這類分析同樣對大壩滲流穩(wěn)定有重要參考作用[10]。

本文采用ABAQUS軟件進行三維有限元建模分析[11-13],模擬正常蓄水和死水位時壩址區(qū)的穩(wěn)定滲流場,計算滲透坡降以及通過壩體和壩基巖體的滲透流量,對比分析結果后,對大壩防滲體系提出修改或優(yōu)化建議。同時,進行無面板情況下壩體擋水時的穩(wěn)定滲流分析。并根據(jù)得出的壩體及兩岸壩肩巖體內(nèi)的地下水位、滲透坡降以及通過壩體和壩基巖體的滲透流量,重點分析墊層內(nèi)滲流性狀[14-15]與滲透坡降變化,為大壩的施工和設計提供滲流安全穩(wěn)定分析,為今后類似工程滲流控制提供參考。

1 計算方法及原理

將壩區(qū)滲流場視為符合達西定律的非均質(zhì)各向異性不可壓縮土體的三維空間穩(wěn)定滲流場,三維穩(wěn)定達西滲流場的滲流支配方程[16]為:

(1)

邊界條件理論如下:

h|Γ1=h1

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:h1、h2為已知水頭函數(shù);ni為滲流邊界面外法線向余弦,i=1,2,3;Γ1=BG、CD,為已知水頭的第一類滲流邊界條件;Γ2=GA、AF、FE、BC,為已知滲流量的第二類滲流邊界條件;Γ3=GE,為位于滲流域中滲流實區(qū)和虛區(qū)之間的滲流自由面,事先并不知道其確切位置,呈現(xiàn)邊界非線性特性;Γ4=ED,為滲流逸出面,因事先不知道滲流逸出點E的具體位置,事先也不能知道整個逸出面的具體大小,是一個邊界非線性滲流問題,需迭代求解;qn為邊界法向流量,流出為正。

滲流計算所用邊界示意圖見圖1。

圖1 滲流計算所用邊界示意圖

1.1 滲透比降的計算方法

在求得整個滲流場的結點水頭后,對單元內(nèi)任一點的水頭對整體坐標的偏導來進行求解[17],公式如下:

(6)

式(6)可以將單元內(nèi)任何一點的滲透坡降進行求解,但由于在單元體內(nèi),單元的形函數(shù)是一階連續(xù)函數(shù),并且在結點上該函數(shù)并不是連續(xù)的。所以,通過對單元的結點運用內(nèi)插法矩陣來求得其滲透比降值。

1.2 滲透流量計算方法

通過某斷面S的滲流量可按下式計算:

(7)

式中:S為過流斷面;n為斷面正法線單位向量;kn為n方向的滲透系數(shù);h為滲流場水頭。

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對于任意8結點六面體等參數(shù)單元,選擇中斷面作為過流斷面S,并將S投影到YOZ、ZOX、XOY平面上,分別記為Sx、Sy、Sz,則通過單元中斷面的滲流量為:

(8)

如果需要計算通過某一斷面的滲流量,則取該斷面上的一排單元,使各單元的某一中斷面組成該計算流量斷面。累加這些單元相應中斷面的滲流量,即可得到所求的該計算斷面的滲流量。

2 計算模型及參數(shù)

2.1 計算模型

本文選取我國西南某面板堆石壩為實例,對其施工及運行期的應力及變形進行計算分析。該工程大壩建筑級別為2級,壩頂高程1 059.0m,壩頂寬10.0m,壩頂長度361.58m。河床壩段建基面高程978.0m,最大壩高81.0m,最大壩底寬233.12m。大壩上游壩坡1∶1.407、下游壩坡1∶1.4。壩體采用變厚的鋼筋混凝土面板防滲,面板頂部高程1 057.0m。

混凝土面板堆石壩上游迎水面設置鋼筋混凝土面板,它是壩體的主要防滲結構。根據(jù)黃家灣面板堆石壩斷面圖,繪制三維計算模型,見圖2、圖3。本次計算三維模型網(wǎng)格剖分時,主要采用8結點六面體單元,三維模型共有單元總數(shù)72 294個,節(jié)點總數(shù)79 220個。

圖2 大壩及地基三維計算網(wǎng)格圖

圖3 壩體及帷幕灌漿三維計算網(wǎng)格圖

2.2 計算工況

為了分析在較大水位差下,面板對于防滲效果的對比以及有無面板防滲的滲流場變化情況,選取4類計算工況,設置見表1。

表1 滲流計算工況

2.3 壩體計算參數(shù)

計算中,所采用的壩體材料參數(shù)依據(jù)大壩填筑料檢測結果選取,壩基巖體各層的滲透系數(shù)根據(jù)實際工程地質(zhì)條件并參考類似工程計算參數(shù)確定,見表2、表3。

表2 壩基巖體各分層滲透系數(shù)

表3 壩體各料區(qū)滲透系數(shù)

3 計算結果及分析

3.1 基本運行工況

在基本運行條件下,視壩體各部分工作正常,對比正常水位和死水位蓄水條件下,壩區(qū)各部分滲流特性。經(jīng)過有限元分析各斷面孔壓和滲流量后,選取壩體中部y=125m(壩右0+125)為典型斷面進行定性分析,該斷面反映了孔壓和水頭分布規(guī)律。見圖4-圖7。

圖4 工況1孔壓分布圖

圖5 工況1總水頭分布圖

圖6 工況2斷面孔壓分布圖

對壩體及帷幕各材料分區(qū)的滲透特性進行分析和仿真模擬,計算得到數(shù)據(jù)見表4-表6。

表4 壩體及帷幕各材料分區(qū)的最大平均滲透坡降表

表5 工況1、工況2計算域內(nèi)各部分滲透流量 (單位:L/s)

表6 面板下游墊層內(nèi)浸潤面的最高位置及防滲系統(tǒng)效果

基本運行工況計算結果分析如下:

1)由圖4-圖7典型斷面的分布圖可以看出,各工況下壩址區(qū)滲流場分布規(guī)律明確,庫水由水庫通過壩體、壩基防滲帷幕和兩岸防滲帷幕以及山體滲向下游。混凝土面板下游壩體內(nèi)浸潤面平緩,浸潤面在混凝土面板上下游形成突降。表明面板和防滲帷幕等組成的防滲系統(tǒng)的阻滲作用是顯著的。

2)滲透坡降方面。壩體混凝土面板、左右壩肩和壩基防滲帷幕的滲透坡降較大,但均小于材料的允許滲透坡降,壩體其他料區(qū)(墊層和主、次堆石區(qū)等)的滲透坡降均較小。壩體和壩基各料區(qū)的滲透坡降均小于允許滲透坡降,現(xiàn)設計的滲控措施滿足滲流穩(wěn)定要求。

3)水頭分布方面。正常蓄水位下,河床最大斷面中面板下墊層內(nèi)最高水位989.44m,削弱水頭65.56m,削弱水頭86.03%,面板起到較好的防滲作用。

4)壩區(qū)滲流量方面。正常蓄水情況下,總滲流量8.703 L/s;死水位工況下,總滲流量6.950L/s。從正常蓄水位到死水位,總水頭減小20.00m,滲透流量減小20.14%。從滲漏量來看,混凝土面板與防滲帷幕組成的防滲體系的防滲效果較好。

5)下游出逸的滲流穩(wěn)定性方面。蓄水后,大壩下游地下水位一般較低,河床段下游出逸點高程很低,較下游尾水位略高,基本是下游河床灘地自由滲水。在正常蓄水位(工況1)下,出逸點高程985.65m;在死水位(工況2)下,出逸點高程984.54m。表明下游出逸處滲流是穩(wěn)定的。

綜上所述,在正常蓄水位工況下和死水位工況下的壩體和壩基可滿足滲透穩(wěn)定性要求,混凝土面板和帷幕灌漿防滲效果好,左右岸和壩基、壩體滲流安全穩(wěn)定,面板壩防滲設計方案可以滿足樞紐區(qū)防滲要求,在技術上是合理的。

3.2 極端工況分析

在施工期,壩體面板未澆筑到蓄水標準,須分析無面板防滲效果。同時考慮極端情況,在運行期面板破損無防滲效果后典型斷面y=125m(壩右0+125)滲流場變化見圖8-圖11。

圖8 工況3孔壓分布圖

圖9 工況3總水頭分布圖

圖10 工況4孔壓分布圖

圖11 工況4總水頭分布圖

對壩體及帷幕各材料分區(qū)的滲透特性進行分析和仿真模擬,計算得到數(shù)據(jù)見表7-表8。

表7 極端工況下計算域內(nèi)各部分滲透流量 (單位:L/s)

表8 壩體及帷幕各材料分區(qū)的最大平均滲透坡降表

從計算結果可以看出:

1)由圖8-圖11可以看出,工況3下,面板未施工,墊層直接擋水,由于墊層滲透系數(shù)較大,該種情況下,通過壩區(qū)的流量均較大。其中,工況3總流量606.788 L/s ,工況4總流量418.104 L/s,庫水可直接通過墊層、過渡層滲入壩體堆石區(qū),堆石區(qū)內(nèi)浸潤面抬高,墊層內(nèi)最低水位1 014.11m。盡管布置有防滲帷幕,但在壩體上游側(cè)沒有形成一個整體的截滲體,因此地下水繞過防滲帷幕流向壩體的下游側(cè),下游出逸點位置較高,最高出逸高程1 011.98m,比壩體竣工正常蓄水位情況下的壩體浸潤面抬升約32.45m。

2)滲透坡降方面。由于壩體迎水面的墊層料成為主要防滲體,墊層的滲透坡降較大,最大可達7.80,超過墊層的允許滲透坡降4.0(表5)。在度汛前,應對墊層迎水面進行必要的防護;度汛后,應對墊層及乳化瀝青層的質(zhì)量進行檢查,保證其未受到破壞。工況4條件下,度汛水位1 030.87m,經(jīng)計算,滲透穩(wěn)定可滿足要求。

3)墊層后的過渡區(qū)以及堆石區(qū)的壩體主堆石區(qū)的滲透坡降分別為0.193、0.049,比壩體竣工正常蓄水位情況下的滲透坡降均明顯增大。

4 結 論

1)混凝土面板和帷幕灌漿構建的防滲體系,對于左右岸和壩基、壩體的滲流安全穩(wěn)定十分重要。對比缺失面板工況,其顯著降低了浸潤面在壩體內(nèi)高度,降低逸出點高程,降低了壩體內(nèi)部孔隙水壓力,有效防止了滲透破壞。

2)從正常蓄水位到死水位,總水頭減小20.00m,滲透流量減小20.14%。以工況1對比工況3,后者滲透流量成倍增加,總計流量可達606.788 L/s。因此,混凝土面板與防滲帷幕組成的防滲體系防滲效果明顯。

3)當面板缺失,墊層直接擋水,由于壩體迎水面的墊層料成為主要防滲體,墊層后的過渡區(qū)以及堆石區(qū)的壩體主堆石區(qū)的滲透坡降,均比正常運行狀態(tài)大。其中,工況3條件下,墊層最大可達10.22,超過墊層的允許滲透坡降4.0,不滿足滲透穩(wěn)定要求。因此,在面板未施工之前度汛,應對墊層迎水面進行必要的防護;度汛后,應對墊層質(zhì)量進行檢查。