不同工況下的面板堆石壩施工期度汛滲透穩定性研究

楊 富

(黔西南州冊亨縣水務局,貴州 冊亨 552200)

0 引 言

面板堆石壩由于具有穩定性好、承受水壓力的性能強、壩體透水性和節約投資等優點而被廣泛應用,其由堆石體作為支承結構,混凝土面板作為防滲結構。其中,高壩的高度往往在70m以上,且建造環境較為復雜,因此施工難度大、周期長,難以用常規的堆石壩建造經驗進行指導。此外,面板堆石壩一般修建于峽谷地帶,建造時一般采用圍堰截流的方法進行度汛。在建造初期,面板堆石壩可以按照導流設計進行度汛,而建造完畢后,則按照臨時洪水標準度汛[1-2]。在擋水度汛期間,為了保證面板堆石壩的性能,需要對其上游壩坡進行保護,而面板堆石壩的擋水度汛穩定性,同樣影響整個堆石壩的安全。面板堆石壩的擋水度汛穩定性不僅受限于工程形式和布置,還與徑流量、洪水峰量等水文特征息息相關。尤其對于面板堆石壩圍堰,其施工期往往包含多個度汛期,故在建造時需要充分考慮壩體的度汛滲透穩定性,以確保面板堆石壩能安全運行。

因此,為了分析面板堆石壩的度汛滲透穩定性,本文以冊亨水庫工程為例,通過數值分析法,對不同工況下的面板堆石壩施工期度汛滲透穩定性進行分析。

1 不同工況下面板堆石壩計算模型

1.1 工程概況

冊亨水庫工程位于貴州省黔西南州冊亨縣境內,由水源工程、供水灌溉工程等組成,其中水源工程位于冊亨縣城上游約9km的北盤江一級支流者樓河中游河段。冊亨水庫供水、灌溉對象為者樓鎮和巖架鎮的水庫下游、者樓河兩岸范圍。冊亨縣高洛新區供水工程位于者樓街道辦東風村浪沙組冊亨水庫供水灌溉工程隧洞出口南側約 260m 處,被列為冊亨縣2020年重點建設工程。

冊亨縣高洛新區供水工程位于貴州省黔西南州冊亨縣境內,建設規模為1.0×104m3/d。冊亨縣高洛新區供水工程的主要建設內容為:新建凈水廠1座,包括絮凝沉淀池、V型濾池+反沖洗房、清水池、加藥消毒間、綜合樓等及其他配套設施建設。其中,凈水廠位于冊亨水庫輸水隧洞南側約260m處(現狀為葛洲壩一公司施工營地)新建水廠。給水廠設計占地面積為0.585 3hm2(征地紅線范圍),本工程水廠設計地面高程為557.30～562.30m,清水池池底設計高程555.30m。凈水廠廠區現狀所處地形高程547.60～575.00m,整體高差不大,廠區占地面積0.516hm2,給水廠設計地面高程557.30m～562.30,清水池池底設計高程555.30m。

根據現場實際情況,開挖邊坡為土質邊坡,坡率采用1∶1.5。如遇高邊坡,在邊坡高8m處設置一級馬道,馬道寬1.5m,開挖后采用C25鋼筋砼草皮護坡。水庫的校核洪水位738.41m,設計洪水位和正常蓄水位均為736m。正常蓄水位時,水庫面積0.685km2;死水位701m,死庫容234.8×104m3,興利庫容1 431.4×104m3。混凝土面板堆石壩壩頂高程739.3m,最大壩高75.7m,頂部長211.8m。

1.2 面板堆石壩計算模型構建

面板堆石壩以堆石體為支承結構,在其上游表面澆筑混凝土面板作為防滲結構的堆石壩,具有壩坡的穩定性好、承受水壓力的性能強、壩體透水性和抗震性好、施工導流與度汛方便等優點。但面板堆石壩的工程量巨大,施工環境較為復雜,導致施工周期往往橫跨多個度汛期,對壩體的穩定性提出更高的要求[3-4]。因此,為了探究面板堆石壩不同工況下的度汛滲透穩定性,研究建立面板堆石壩計算模型。

為了方便計算,以河流橫截面為X軸,左岸為正向;以河流流向為Z軸,下游為正向;以垂直方向為Y軸,垂直向上為正;以大壩軸線與河床中線交點的零標高處為原點。整個模型的計算邊界為上下游壩腳各自向上下游延伸1倍壩高;垂直方向向上至壩頂,向下至不透水層以下100m處;右岸范圍為距壩肩350m處,敏感性分析帷幕長度300m;左岸考慮到存在地下廠房的問題,其帷幕距壩肩440m[5-7]。

在面板堆石壩的度汛滲流分析中,使用材料種類豐富,共涉及19種材料,具體包括:混凝土面板、墊層、墊層趾板、主堆石、次堆石1/2、過渡層、壩基防滲帷幕、壩頂材料、河床巖組、基巖等。由于材料種類過多,導致計算難度較大,為了方便計算,將其進行簡化。各材料的參數取值見表1。

由表1可知,為了方便計算,研究將度汛滲流分析的材料分為3類,即壩基、壩體和灌漿帷幕。由于灌漿帷幕的灌漿效果有一定差距,因此對其中灌漿效果較差的情況進行考慮。

1.3 不同工況下的面板堆石壩滲流計算

在進行面板堆石壩的滲流計算時,考慮到不同條件下特征水位的影響,研究根據特征水位對上下游水頭邊界、自由出滲邊界和不透水邊界進行構建。拉哇水電站的正常蓄水位736m,死水位701m,設計洪水位736m,校核洪水位738.41m。壩體模型的邊界條件見圖1。

圖1 壩體模型邊界條件

由圖1可知,模型的縱向邊界為由壩體分別向上下游延伸239m處,橫向邊界為向左右岸分別延伸350和440m;垂直邊界分別為壩頂和不透水層下方100m處。為了方便進行滲流計算,研究采用三維八節點六面體和二維平面四節點等進行模擬,并利用網格對其進行劃分。在劃分時,考慮到大壩面板、河床防滲帷幕、面板連接縫和灌漿帷幕等對計算結果的影響較大,因此對其進行網格加密處理,而對其余影響較小的部位進行減密處理[8-10]。

為了對不同工況下的面板堆石壩度汛滲透特點進行分析,研究以其度汛特點為根據,對工況進行分類,具體包括墊層直接擋水度汛、墊層及一期面板聯合擋水度汛、墊層及二期面板聯合擋水度汛。各工況下度汛及滲流特點見表2。

表2 不同工況下的度汛及滲流特點

由表2可知,工況1-工況3均為大壩的滲透穩定問題。其中,工況1為墊層直接擋水度汛,此時臨時壩頂高程為730.3m;工況2為一期面板澆筑完畢;工況3的庫水位為728 m。工況4與工況1均為墊層直接擋水度汛,但工況4的庫水位為無水,此時的工況屬于最危險的工況,所研究的是上游壩坡的穩定性。工況5與工況2類似,但庫水位會驟降至無水,此時研究的是上游壩坡和一期面板的穩定性。工況6與工況3類似,但庫水位降至715m,此時工況的危險程度僅次于工況4,所研究的是上游壩坡和二期面板的穩定性。

2 不同工況下的面板堆石壩施工期度汛滲透穩定性分析

為了對面板堆石壩不同工況下的度汛滲透穩定性進行分析,研究將其分為墊層直接擋水度汛、墊層及一期面板直接擋水度汛以及墊層及二期面板直接擋水度汛3種。本節將對墊層直接擋水度汛的滲透穩定性進行分析,并將該工況分為穩定滲流和水位驟降兩類。墊層直接擋水度汛時的臨時壩頂高程730.3m,庫水位716m。此時,穩定滲透和水位驟降時墊層直接擋水度汛的水力坡降變化見圖2。

圖2 穩定滲透和水位驟降時的水力坡降變化

由圖2(a)可知,在大壩的中心剖面上,庫水位為710、720和730m時,其水力坡降的峰值均在-220～-150m處,此時水力坡降均為0.5。當庫水位為710、720和730m時,水力坡降的次高峰分別出現在150、150和200m處左右,此時水力坡降值分別為0.1、0.15和0.1。由此可見,各高程下水力坡降均沿河流順向先上升后下降,待出現次高峰后,水力坡降逐漸變緩。由圖2(b)可知,不同高程下,水位驟降時的水力坡降均沿河流順向先上升后下降,再上升并下降;整個堆石壩內部的水力坡降值較小,而迎水面和背水面的坡降值較大。當高程為710、720和730m時,水力坡降的最大值均出現在180m處,對應的水力坡降值分別為0.8、0.77和0.74。而在與堆石壩相距480m處左右,各高程的水力坡降再次上升至較高水平,此時各高程下的水力坡降值分別為0.77、0.75和0.74。上述結果表明,當庫水位不發生劇烈變化時,堆石壩的滲透狀態穩定,而當庫水位發生驟降時,堆石壩的滲流量較大,大壩存在破壞風險。

不同狀態下,墊層及一期面板聯合擋水度汛的水力坡降變化見圖3。

圖3 墊層及一期面板聯合擋水度汛的水力坡降變化

由圖3(a)可知,在大壩的中心剖面上,庫水位為710、720和730m時,其水力坡降的峰值均出現在-200m處左右,此時水力坡降均為0.75。當庫水位為710、720和730m時,水力坡降的次高峰分別出現在100～200、150和200m處左右,此時水力坡降值分別為0.15、0.2和0.15。由此可見,各高程下水力坡降均沿河流順向先上升后下降,待出現次高峰后,水力坡降同樣逐漸變緩。由圖3(b)可知,不同高程下,水位驟降時的水力坡降均沿河流順向先上升后下降。當高程為710、720和730m時,水力坡降的最大值均出現在210m處,對應的水力坡降值分別為15.4、15.1和15。而在與堆石壩的距離達到250m以上后,各高程的水力坡降值均下降至0左右,并保持相對穩定。結果表明,此時堆石壩的迎水面水力坡降值較大,一期面板具有較好的擋水作用。

墊層及二期面板聯合擋水度汛的水力坡降見圖4。

圖4 墊層及二期面板聯合擋水度汛的水力坡降

由圖4(a)可知,在大壩的中心剖面上,各高程的水力坡降均先上升后下降,并在-200～250m的區間內呈劇烈波動狀態。當庫水位為710、720和730m時,其水力坡降的峰值均出現在-150m處左右,此時水力坡降均為1.1。當庫水位為710、720和730m時,水力坡降的次高峰均出現在250m處左右,此時水力坡降值均為0.4;并且在距離達到400m以后,水力坡降逐漸變緩并趨于穩定。由圖4(b)可知,不同高程下,水位驟降時的水力坡降均沿河流順向先上升后下降。當高程為710、720和730m時,水力坡降的最大值均出現在130m處,對應的水力坡降值分別為39、38.6和38.1。而在與堆石壩的距離達到150m以上后,各高程的水力坡降值均下降至0左右,并保持相對穩定。由此可見,此時堆石壩的迎水面水力坡降值較大,二期面板具有較好的擋水作用。

為了進一步研究水位驟降情況下堆石壩的穩定性,研究通過力矩法和推力法,對其安全性進行分析。水位驟降時,不同工況的上游壩坡安全系數見圖5。

圖5 水位驟降條件下不同工況的上游壩坡安全系數

由圖5(a)可知,在水位驟降條件下,墊層直接擋水度汛時,上游壩坡的安全系數隨時間的推移呈階梯式下降趨勢,并最終穩定在1.9左右,其原因是隨著水位的降低,上游的滲透壓逐漸上升。在墊層和一期面板聯合擋水度汛時,上游壩坡的安全系數隨時間的推移逐漸下降,最終同樣穩定在1.9左右,其原因是隨著水位的下降,上游的滲透壓同樣逐漸上升。而在墊層和二期面板聯合擋水度汛時,上游壩坡的安全系數隨著時間的推移較為平緩的下降,最終穩定在3左右,其原因是隨著水位的下降,雖然上游的滲透壓逐漸上升,但由于面板具有良好的擋水作用,導致安全系數穩定在一個較高水平。由圖5(b)可知,通過推力法得到的安全系數變化情況與力矩法一致。

3 結 論

為了探究不同工況下面板堆石壩的滲透特性,本文以拉哇水電站為例進行了研究。結果顯示,當高程為710m時,在墊層擋水度汛工況下,其穩定滲流時的水力坡降峰值為0.5;水位驟降時的水力坡降峰值為0.8。墊層和一期面板聯合擋水度汛工況下,穩定滲流和水位驟降時的水力坡降峰值分別為0.75和15.4;墊層和二期面板聯合擋水度汛工況下,穩定滲流和水位驟降時的水力坡降峰值分別為1.1和39。研究表明,當庫水位發生驟降時,在墊層擋水度汛工況下大壩存在破壞風險,而在其余兩種工況下,由于面板具有擋水作用,大壩的安全性仍然較高。