南丙河水庫黏土心墻土石壩三維滲流分析

2017-03-21 05:34:39楊超林

中國農村水利水電 2017年9期

楊超林，張霞

(云南省水利水電勘測設計研究院，昆明 650021)

土石壩壩基滲漏和繞壩滲漏滲流[1]造成的壩體及庫岸周邊材料強度降低，成為威脅壩區穩定安全的重要因素。因而在大壩設計之前，首先要對整個壩區的地下水滲流情況有較全面的了解[2]。傳統的二維滲流計算方法無法從宏觀實際把握大壩、壩基及兩岸繞壩的滲流規律，預測水庫蓄水后壩址區的滲流量。三維滲流計算克服了二維計算的弊端，為高山峽谷區土石壩的滲流計算提供一個合理的計算方法。本文基于南丙河水庫地勘及水文資料，利用河海大學滲流實驗室研發的三維滲流控制分析有限元計算程序(SPGCR-3.FOR)[3,4]對大壩進行滲流分析計算。

1 工程概況

南丙河水庫位于云南省瀾滄縣南朗河左岸一級支流南丙河上，壩址選定在酒井鄉磨刀河寨子上游0.5 km處，多年平均年徑流量7 301 萬m3。水庫總庫容2 634.7 萬m3，是一座集農業灌溉、農村人畜飲水、城鄉生活和工業供水于一體的綜合利用水利樞紐工程。黏土心墻風化料壩壩頂高程1 422.00 m，壩頂軸線長180.60 m，壩頂寬度8.00 m，最大壩高68.70 m。黏土心墻置于0.60 m厚C20混凝土墊層上，墊層基礎以強風化巖體為建基面，河床處建基面高程1 353.30 m。

大壩采用帷幕灌漿防滲，防滲標準為q≤5 Lu。在帷幕軸線上、下游側各布置2排孔深分別為8 m、5 m，孔、排距3.0 m、梅花形布置的固結灌漿。灌漿帷幕沿大壩心墻軸線向兩岸延伸，左、右岸帷幕延伸至正常蓄水位與相對隔水層相交處，左岸從壩肩向山體內延伸98.06 m；右岸延伸至壩橫0+215.03 m處，再向上游折轉38.26°后，沿山脊向山體內延伸45.91 m。帷幕灌漿頂界水庫正常蓄水位1 419.20 m，灌漿底界為伸入到壩基相對隔水層(q≤5 Lu)內5 m，大壩帷幕軸線水平總長359.0 m，0+002.80～0+193.67 m(高程1 419.20 m以下)壩段為雙排布置，排距1.0 m，孔距2.0 m，其余為單排孔，孔距1.5 m。

2 滲流計算理論及方法

對于飽和滲流的基本方程為[5]：

(1)

式中：x、y、z為滲透主方向；Kx、Ky、Kz為主方向滲透系數；H為水頭函數。

取8節點等參單元離散滲流場，則單元內的水頭分布為：

(2)

應用Galerkin方法將微分方程(1)離散，經推導整理得到：

(3)

當整個區域全部處于承壓狀態(如壩基滲流)，便可直接依式(3)建立代數方程組，進行求解即得到所要求的滲流水頭場。然而，對于具有自由面的滲流問題，其實際滲流區域，往往小于整個滲透介質的區域。由于自由水面正是滲流分析所需要求解的量，因而，實際滲流域便是未知的[6]。為獲得自由面邊界，采用迭代逼近的方法來求其近似解。本文采用干區虛擬流動不變網格法來求解自由面[7,8]。

3 壩區滲流計算分析

3.1 三維滲流分析模型的建立

為了充分反映出南丙河水庫樞紐區地形、地貌特征，考慮到防滲體對滲流場的影響，計算模型截取范圍如下。

左岸截取邊界：從河床中心線往左岸山體320 m。

右岸截取邊界：從河床中心線往右岸山體240 m。

上游截取邊界：上游取至壩軸線上游330 m。

下游截取邊界：下游取至壩軸線下游400 m。

模型底高程：取至1 290 m高程，即建基面以下1倍壩高。

建立的大壩三維滲流有限元模型見圖1，模型中共有43 393 個單元，42 902 個節點。

為了更具體地了解特殊區域的單元剖分信息，選取了2個典型結構的有限元網格模型單獨進行描述，見圖2和圖3。圖4給出了最大剖面的網格圖。

圖2 壩體有限元網格Fig.2 The finite element mesh of the dam body

圖3 壩基防滲系統有限元網格Fig.3 The finite element mesh of the seepage prevention system of the dam base

圖4 垂直于壩軸線的最大剖面網格Fig.4 The biggest profile mesh perpendicular to the dam axis

3.2 計算參數及邊界條件

滲流計算中采用的壩體各分區、各地層等材料的滲透系數根據室內土工試驗及類似工程經驗選定，見表1。

本模型的計算邊界條件為：上游地表節點和上游壩體表面節點，低于上游水位的節點作為上游已知水頭邊界；下游地表節點和下游壩體表面節點，低于下游水位的節點作為下游已知水頭邊界；下游地表節點和下游壩體表面節點，高于下游水位的節點作為可能出滲節點，真實出滲節點由迭代計算確定；其他邊界均為不透水邊界。

表1 滲流分析計算所采用的材料參數Tab.1 The parameter of the materials used for seepage calculation

3.3 計算工況

結合水庫的運行情況，選取3個滲流計算工況，見表2。

表2 滲流計算分析工況Tab.2 The conditions of seepage calculation

3.4 計算結果及分析

計算所得的各工況壩區地下水位等勢線分布圖見圖5。由圖5可見，水位等勢線在壩體心墻位置及兩岸帷幕位置較密集，表明壩體心墻及兩岸帷幕對水頭的消剎作用明顯，防滲效果較好。

圖5 3種工況下地下水位等勢線分布Fig.5 The distribution of equipotential line of groundwater level of three conditions

為了更好地分析壩址區滲流特性，選取了3個剖面對滲流場加以分析。剖面位置見圖5，其中，剖面1-1為最大壩體剖面，剖面2-2為左岸壩頭部位，剖面3-3為右岸壩頭部位。

圖6給出了最大壩體剖面(剖面1-1)的滲流場等勢線及浸潤線圖。由圖6可見：① 3種工況下心墻上下游的水頭差分別為47.00、47.66、48.53 m，分別占上下游水頭差的74.4%、75.4%、76.1%。可見該防滲體系下，大壩上下游水頭差在防滲體系內能得到很大的消剎。② 3種工況下壩體浸潤線的出逸點高程分別為1 356.51、1 357.81和1 358.51 m，均從下游排水棱體處逸出。表3給出了該剖面下心墻和帷幕的平均滲透梯度和最大滲透梯度值，可見3種工況下，心墻的最大滲透梯度為2.011，大于黏土允許滲透梯度[J]=0.5～0.6。為了保護黏土心墻使其不發生滲透破壞，已設置反濾層對黏土心墻進行反濾保護。帷幕的最大滲透梯度約為2.738，小于允許的滲透梯度[J]=20.0。

圖6 水頭等勢線(剖面1-1)Fig.6 The equipotential line of water head (profile 1-1)

工況上游水位/m下游水位/m心墻平均梯度心墻最大梯度帷幕平均梯度帷幕最大梯度心墻浸潤線出逸點高程/m下游浸潤線出逸點高程/m正常蓄水位1419.201356.001.081.881.982.651372.201356.51設計洪水位1420.361357.111.141.932.012.691372.701357.81校核洪水位1421.431357.631.172.012.042.741372.901358.51

圖7和圖8分別給出了正常蓄水位工況下，左壩肩(剖面2-2)和右壩肩(剖面3-3)的水頭等勢線圖。由圖7、圖8可看出，左右岸山里地下水位埋深相對較深，兩岸的防滲帷幕發揮了較明顯的作用，左岸延伸部分的防滲帷幕在剖面2-2處所形成的水頭跌落約3.6 m，右岸延伸部分的防滲帷幕在剖面3-3處所形成的水頭跌落約2.6 m。