土石壩防滲墻滲流穩定性數值模擬分析

于秋梅

(黑龍江省青岡縣水務局,黑龍江 青岡 151600)

1 數值模型

1.1 模型概述

某水利樞紐工程最大壩高23.5 m,壩寬3.5 m。大壩壩身采用混凝土澆筑。壩體表面鋪設有防滲面板。水庫最大泄流量為1350.0 m3/s。

為保證大壩增設防滲墻不會對水庫的安全性造成影響,本文重點分析防滲墻設計參數對地下滲流場的影響。根據實際工程,本文模型考慮防滲墻深度不小于壩基的1/3,且不超過溢流面階梯段長度的2/3。據此建立數值分析模型,整個模型的計算長度為50.0 m,寬度為25.0 m,高度為20.0 m。數值模型中網格劃分均采用四邊形單元。巖土體本構為摩爾-庫倫模型。為了模擬防滲墻和巖土體的接觸,本文在兩者之間設置了Goodman接觸單元。最終模型的網格總數為22 300個,節點單元為261 223個。模型典型斷面圖見圖1所示。計算中假定防滲墻的滲透系數為1×10-9m/s。模型的頂部和底部均為自由,側向約束水平方向的位移。水位工況為保持上游水位18.0 m。考慮本文研究內容,在計算工況的選取中,防滲墻深度選擇5.0～16.0 m。防滲墻厚度選為0.5～3.0 m。

圖1 大壩防滲墻網格

1.2 數值計算模型參數

根據室內土工試驗及參考相關類似材料研究,匯總得到本文數值計算各材料的物理力學參數見表1所示。

2 結果與分析

2.1 防滲墻深度對地下滲流場影響

圖2是防滲墻深度與水頭差的關系。結果表明，大壩上游、防滲墻及大壩下游的水頭差隨防滲墻的深度增大而逐漸減小。在上游側水頭差的分布主要集中于3.5～7.6 m；而下游側水頭差的分布比上游顯著降低了42.0%～47.0%。具體來看，對于大壩上游水頭差，當防滲墻深度分別為5.5 m、7.5 m、9.5 m、11.5 m、13.5 m和15.5 m工況時，對應的水頭差分別為7.6 m、6.1 m、4.7 m、3.8 m、3.6 m和3.5 m。說明由于墻的阻水作用，該位置及下游側滲流區水流均為平靜狀態，因此水頭差較小。此外，隨著防滲墻深度的逐漸增大，各位置水頭差均有所降低，但降低速率越來越小。尤其是當防滲墻深度>11.5 m時，水頭差在各工況下平均降幅僅為0.4%。綜合來看，一味地增大防滲墻深度對于提高結構防滲效果并不明顯。根據本文的研究工況來看，防滲墻深度11.5 m為最優深度。

圖2 防滲墻深度與水頭差的關系

圖3是防滲墻深度與流速的關系。結果表明，流速最大的位置位于壩底。流速分布區間介于1.6～2.9 cm/s。此外，壩底的流速隨防滲墻的深度增大而先保持穩定隨后增大，而防滲墻墻底的流速隨防滲墻深度的增大而先減小后增大。壩底流速在防滲墻深度>11.5 m時顯著增大，深度為13.5 m和15.5 m時分別比深度11.5 m增大了27.0%和77.0%。當防滲墻深度為11.5 m時，防滲墻底流速最小為0.5 cm/s，而深度為5.5～11.5 m時，流速平均增大了110.0%以上。

圖3 防滲墻深度與流速的關系

2.2 防滲墻厚度對地下滲流場影響

圖4是防滲墻厚度與水頭差的關系。結果表明，大壩上游、防滲墻及大壩下游的水頭差隨防滲墻的厚度增大而逐漸減小。這一規律與圖2和圖3規律基本相同。其中大壩上游的水頭差最大，分布區間為4.0～9.0 m。當防滲墻厚度為0.5 m時，水頭差為6.0 m。與防滲墻厚度為1.5 m、2.5 m和3.0 m相比，顯著降低了50.0%、52.0%和52.0%。此外，當防滲墻厚度>1.5 m時，防滲墻厚度增大對水頭差的影響程度越來越小。因此，一味地考慮增大防滲墻厚度對提高防滲效果并不經濟[1-2]。綜合本文結果來看，防滲墻厚度為1.5 m時最優。

圖4 防滲墻厚度與水頭差的關系

圖5是防滲墻厚度與流速的關系。結果表明，流速最大的位置位于壩底。流速分布區間介于2.9～3.4 cm/s。此外，防滲墻底的流速隨防滲墻的厚度增大而先減小后保持不變，而壩底的流速隨防滲墻厚度的增大而先減小后增大。綜合來看，當防滲墻厚度為0.5～1.5 m時，壩底的流速平均降低了25.0%，而厚度為1.5～3.0 m時，流速平均增大24.0%。因此，當防滲墻厚度增大至一定區間內，墻的防滲效果顯著提高，但過大的防滲墻厚度會導致墻體部位出現繞流，水流紊亂，造成墻底的局部沖刷[3]。綜合防滲墻厚度與水頭差的關系以及防滲墻厚度與流速的關系可以發現，防滲墻厚度為1.5 m時最優。

圖5 防滲墻厚度與流速的關系

2.3 防滲墻底部滲流坡降變化規律

圖6是防滲墻底部滲流坡降與防滲墻深度的關系。結果表明，相同防滲墻厚度下，防滲墻底部滲流坡降隨深度的增大而減小，而相同深度下，防滲墻厚度越小，防滲墻底部滲流坡降越大。在防滲墻厚度為0.5 m，防滲墻底部滲流坡降達到最大，最大值為58。顯然，過當增加防滲墻的深度是不經濟的。尤其是當深度>11.5 m時，滲流坡降變化速率有所增大。出現這一現象的主要原因是，隨深度的增大，防滲墻底端的水流通道體積減小，從而導致滲流速度變大，進而導致局部水頭損失的滲流坡降上升。尤其是當防滲墻深度足夠大，接近于弱風化基巖時，滲透坡降變化速率明顯發生突變[4]。綜合本文的分析，防滲墻深度11.5 m最優。

圖6 防滲墻底部滲流坡降與深度的關系

3 結 論

(1)大壩上游、防滲墻及大壩下游的水頭差隨防滲墻的深度增大而逐漸減小。在上游側水頭差的分布主要集中于3.5～7.6 m；而下游側水頭差的分布比上游顯著降低了42.0%～47.0%。隨著防滲墻深度的逐漸增大，各位置水頭差均有所降低，但降低速率越來越小。綜合來看，一味地增大防滲墻深度對于提高結構防滲效果并不明顯。根據本文的研究工況來看，防滲墻深度為11.5 m為最優深度。

(2)大壩上游、防滲墻及大壩下游的水頭差隨防滲墻的厚度增大而逐漸減小。其中大壩上游的水頭差最大，分布區間為4.0～9.0 m。當防滲墻厚度為0.5 m時，水頭差為6.0 m。當防滲墻厚度>1.5 m時，防滲墻厚度增大對水頭差的影響程度越來越小。綜合本文結果來看，防滲墻厚度為1.5 m時最優。

(3)相同防滲墻厚度下，防滲墻底部滲流坡降隨深度的增大而減小，而相同深度下，防滲墻厚度越小，防滲墻底部滲流坡降越大。在防滲墻厚度為0.5 m，防滲墻底部滲流坡降達到最大，最大值為58。出現這一現象的主要原因是，隨深度的增大，防滲墻底端的水流通道體積減小，從而導致滲流速度變大，進而導致局部水頭損失的滲流坡降上升。