深厚覆蓋層地基下防滲墻深度對(duì)壩基滲流影響分析

李曉丹

(黑龍江省引嫩工程管理處，黑龍江 大慶 163000)

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深厚覆蓋層地基下防滲墻深度對(duì)壩基滲流影響分析

李曉丹

(黑龍江省引嫩工程管理處，黑龍江 大慶 163000)

文章結(jié)合新疆下坂地水利樞紐工程，采用三維有限元數(shù)值模擬分析方法，研究深厚覆蓋層地基下防滲墻與防滲帷幕的相互作用對(duì)壩基滲流的影響，研究出深厚覆蓋層壩基中防滲墻存在最適宜的深度，達(dá)到最佳防滲效果，同時(shí)本次的研究對(duì)此類工程在施工工藝和防滲設(shè)計(jì)上的具有一定的參考價(jià)值。

深厚覆蓋層；防滲墻；壩基滲流；建模；影響

0　前　言

河床深厚覆蓋層是指在河床中厚度>30m的松散堆積物，屬于不良地質(zhì)條件。地質(zhì)特點(diǎn)：巖性單一，結(jié)構(gòu)松散，在各個(gè)方向上都有很大變化，河床深厚覆蓋層不僅嚴(yán)重影響工程壩址、壩型的選擇，也嚴(yán)重制約了防滲措施設(shè)計(jì)。由于此地基的特殊構(gòu)造，故防滲設(shè)計(jì)是非常緊要的問題。目前，國內(nèi)外在此種地基上的防滲措施主要采用墻幕結(jié)合的防滲形式[1]。它不考慮深厚覆蓋層地層在灌漿過程中防滲墻深度、巖基鉆孔難度、中上部灌漿質(zhì)量較差對(duì)工程防滲帶來的影響。而是在透水層壩基中將墻幕結(jié)合起來，形成一種共同作用的防滲體系。從工程防滲效果和投資方面分析，此防滲體系的構(gòu)建既安全可行又經(jīng)濟(jì)合理。

文章基于大型通用有限元軟件ADINA，ADINA是基于有限元分析的大型通用仿真平臺(tái)。在深厚覆蓋層壩基上選取不同深度的防滲墻，進(jìn)行滲流模擬試驗(yàn)分析，進(jìn)而選擇它的最優(yōu)深度。其廣泛運(yùn)用到水利行業(yè)的壩工研究中。在ADINA軟件的溫度場計(jì)算模塊中，定義有滲流材料的參數(shù)選擇，可以準(zhǔn)確的進(jìn)行滲流場模擬計(jì)算，得出符合實(shí)際的各項(xiàng)參數(shù)。

1　工程概況

下坂地水利樞紐位于新疆喀什地區(qū)塔什庫爾干縣下坂地鄉(xiāng)附近，為Ⅱ等大(2)型工程。主要功能是以存蓄水為主、發(fā)電為輔。工程各項(xiàng)指標(biāo)：攔河壩最大壩高78 m，正常蓄水位高程2960 m，電站總裝機(jī)容量150 MW，總庫容8.6 億 m3，年發(fā)電量4.7 億 kW·h[2]。

下坂地的河床覆蓋層主要是由壩址下游的古冰川的移動(dòng)、“堰塞湖”的潰決等多種誘因形成的。自上而下可分為4大類型：坡積層、沖洪積層、砂層透鏡體、冰磧層，滲透性高，最大厚度148 m，砂層厚度為28～30m，沖洪積層和坡積層屬于強(qiáng)透水層[3]。根據(jù)壩基覆蓋層的實(shí)際情況，結(jié)合此類工程實(shí)例防滲設(shè)計(jì)常采用的形式，擬定不同深度的垂直防滲進(jìn)行滲流分析計(jì)算，在滿足滲漏量及滲透穩(wěn)定的前提下，通過對(duì)防滲效果、施工難度、工程造價(jià)等的綜合比較，薦選出最優(yōu)方案。大壩壩基剖面如圖1所示。

圖1　下坂地壩基覆蓋層地質(zhì)剖面圖

2　有限元數(shù)值模型

2.1計(jì)算工況

2.1.1基本資料

1)水庫正常蓄水位為2960m。

2)壩頂高程：2966m。

3)上游壩坡：1∶2.2。

4)下游壩坡：1∶2.0。

5)混凝土防滲墻厚度：1.0m。

6)防滲墻的初擬深度為：80m，85m，90m。

2.1.2計(jì)算假定

1)擬定大壩為均質(zhì)壩，護(hù)坡對(duì)壩基的滲透性忽略不計(jì)，由壩體、反濾層、排水棱體、河床地基組成，壩基各種材料的滲透性質(zhì)定義為各向同性，即kx=ky。

2)假設(shè)壩基巖不透水，河床斷面沿壩體橫軸線方向。假定計(jì)算結(jié)果中滲透量不包括繞壩滲透和壩基巖滲透。

3)由于壩體泄洪洞下游水位偏低，結(jié)合資料取下游水位2888m，壩體蓄水后水位會(huì)有上升。從防滲體系構(gòu)建來看，即使地下水位不上升，壩基的水力坡降和滲透量都比水位上升后大，所以假定地下水位抬高后壩體是安全的[4]。

2.2模型建立

模型區(qū)域的建立：設(shè)計(jì)壩體橫斷面長540 m，壩高78 m，從壩體上游排水棱體向上延伸125m，壩體下游面壩腳處向下延伸125m，從壩基向壩基巖延伸160m。y 方向以壩體縱剖面與壩基交點(diǎn)為原點(diǎn)，以指向上游為正，指向下游為負(fù)；z方向以鉛直向上為正，壩基上取正78m，壩基下同理，模型區(qū)域大小為540 m×238 m。本模型采用平面四邊形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，計(jì)算結(jié)果能與實(shí)際相符。滲流計(jì)算的單元網(wǎng)格劃分為 272，節(jié)點(diǎn)數(shù)為7801個(gè)[5]。

選取中間垂直壩軸線方向的代表斷面進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算網(wǎng)格如圖2所示。

圖2　斷面計(jì)算網(wǎng)格圖

2.3材料參數(shù)

計(jì)算區(qū)域內(nèi)共有5種材料，在有限元分析模型中用不同的顏色表示。從上到下分別為壩體料(綠色)，下游排水體(大紅色)、防滲墻(桃紅色)、砂層(紫色)、冰磧層(藍(lán)色)、基巖(橘黃色)。模型中各種材料的滲透系數(shù)值見表1。

表1　材料滲透系數(shù)表

2.4邊界條件

滲流模擬區(qū)域的兩端邊界、壩基層定義為不透水層，壩體上、下游壩踵處和水接觸區(qū)域定義為水頭邊界。由于水庫建成蓄水后上游正常蓄水位2960.00 m，下游水位2888.00 m，所以壩體上游面與水接觸區(qū)域節(jié)點(diǎn)水頭定義為上游正常蓄水位H1=72 m，下游節(jié)點(diǎn)水頭為下游水位定義為H2=0 m。

3　計(jì)算結(jié)果

由于敏感性參數(shù)的選擇分析，計(jì)算假定只列出壩體下游面的壩基滲透量和水力坡降，其中下游面水力坡降值指壩體下游一定范圍內(nèi)的取值，此范圍在滲流分析中存在關(guān)鍵部位，而這個(gè)關(guān)鍵部位一般會(huì)位于溢出點(diǎn)附近。

圖3　防滲墻深度為80 m的總水頭云圖

圖4　防滲墻深度為85 m的總水頭云圖

圖5　防滲墻深度為90 m的總水頭云圖

圖3～5中，總水頭密集代表水力梯度大，材料滲透系數(shù)變化較大。從以上總水頭云圖中可以看出，在溢出點(diǎn)附近等值線分布過密，說明這個(gè)范圍內(nèi)水頭變化很快，滲透力強(qiáng)。圖中顯示水力比降最大值分布在溢出點(diǎn)附近，此區(qū)域水力比降也很大[6]。

正常蓄水位工況，不同防滲墻深度下的滲流計(jì)算結(jié)果見表2。

表2　壩基不同深度防滲墻滲流計(jì)算結(jié)果

在防滲墻深度設(shè)定為80 m時(shí)，壩后的最大水力坡降值0.55×10-2，<該工程要求的壩后最大水力坡降值0.5×10-2和設(shè)計(jì)規(guī)范要求的土體滲透破壞容許坡降值0.1。

根據(jù)對(duì)下坂地水利樞紐的三維有限元計(jì)算分析得出，防滲墻深度設(shè)置為85 m時(shí)，總滲透量為22977.77 m3/d，同比減少了25.3%，壩基滲流量為22861.46 m3/d，同比減少了26.1%，壩后最大水力坡降為0.55×10-2同比降低了33.3%。以上數(shù)據(jù)可以得出：防滲墻深度的增加可以有效降低總滲流量、壩體與壩基滲流量和壩后最大水力坡降，有效的維系了壩體、壩基的滲透穩(wěn)定性，穩(wěn)固了此土石壩的防滲體系。從圖3～4的結(jié)論可以得出：防滲墻深度設(shè)置在80～85 m之間時(shí)，壩體滲流量變化明顯，壩基滲流量基本保持線性遞減，總防滲量也明顯減少，防滲效果明顯提高；防滲墻深度設(shè)置超過85 m，總滲流量、壩體、壩基的滲流量變化明顯趨于平緩，故在此基礎(chǔ)上防滲墻深度的增加對(duì)壩基滲流量的效果越來越小，所以防滲墻深度設(shè)置為85m時(shí)為最適宜的數(shù)值，防滲效果能達(dá)到最優(yōu)。

4　結(jié)論與展望

結(jié)合新疆下坂地水利樞紐工程，采用三維有限元數(shù)值分析計(jì)算，分析得出河床深厚覆蓋層壩基防滲中防滲墻和防滲帷幕結(jié)合的體系建立，探索出防滲墻深度的變化對(duì)整體滲流的影響規(guī)律。防滲墻深度的增加可以提高壩體穩(wěn)定性，有效降低壩后的滲流量和最大水力坡降值，但同時(shí)防滲墻深度超過一定數(shù)值后，總體滲流量的變化平緩，各項(xiàng)數(shù)據(jù)表明之后總體防滲效果不明顯。因此，在今后防滲設(shè)計(jì)研究中，要考慮各方面的影響因素。如果覆蓋層滲透系數(shù)較大，防滲墻深度不能深及基巖的不透水層，單純對(duì)防滲墻深度的增加對(duì)防滲體系的構(gòu)建包括壩基的防滲效果都是很有限的。故施工時(shí)需要將防滲墻打到不透水層，防滲效果才能達(dá)到最佳，進(jìn)而得出滿足工程安全性、經(jīng)濟(jì)性的防滲體系結(jié)構(gòu)布置尺寸。

[1]牛運(yùn)光. 土壩安全與加固[M]. 北京: 中國水利電力出版社, 1998：16-41.

[2]周春選, 王健, 楊智睿. 新疆下坂地水庫壩基防滲處理設(shè)計(jì)[J]. 陜西水利水電技術(shù), 2005(02): 22-27.

[3]王華俊. 錦屏二級(jí)水電站閘基深厚覆蓋層滲流分析與控制研究[D]. 成都理工大學(xué), 2005.

[4]白勇, 柴軍瑞, 曹境英, 等. 深厚覆蓋層地基滲流場數(shù)值分析[J]. 巖土力學(xué), 2008,29(S1): 90-94.

[5]謝興華, 王國慶. 深厚覆蓋層壩基防滲墻深度研究[J]. 巖土力學(xué), 2009,30(09): 2708-2712.

[6]羅渝, 何江達(dá), 段斌,等. 深厚河床覆蓋層閘壩防滲墻深度優(yōu)化研究[J]. 吉林水利, 2006(01): 5-9.

1007-7596(2016)06-0033-03

2016-04-16

李曉丹(1980- )，女，黑龍江訥河人，工程師。

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