溫泉水利樞紐工程瀝青心墻壩滲流安全性分析

潘崇仁，吳俊杰,2

(1.水利部新疆水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000； 2.南京水利科學(xué)研究院，南京 210000)

1 概 述

新疆石油資源較為豐富，瀝青的產(chǎn)量非常高且品質(zhì)優(yōu)異，常用于修建道路及當(dāng)?shù)夭牧蠅蔚姆罎B心墻中。瀝青混凝土心墻壩施工方便，造價(jià)低廉，被廣泛用于新疆水利建設(shè)中。由于瀝青混凝土基本不透水，被布設(shè)于壩體中間用于擋水。通常瀝青混凝土心墻壩的心墻部分都很薄，心墻的好壞直接影響到下游壩殼料的滲流穩(wěn)定性。因此，瀝青混凝土心墻的滲流穩(wěn)定性對(duì)壩體的安全運(yùn)行非常重要，非常有必要通過(guò)滲流計(jì)算確定壩體內(nèi)部水面線分布、流速大小、滲流量以及水力梯度高低情況，以此判斷下游排水體的形式、體積以及下游出逸點(diǎn)是否可能破壞，為工程設(shè)計(jì)提供一定參考依據(jù)。

2 工程簡(jiǎn)介

溫泉水利樞紐工程是卡普斯浪河上的控制性工程，壩址斷面多年平均流量18.20 m3/s，多年平均年徑流量5.74×108m3，水庫(kù)正常蓄水位1 900 m，對(duì)應(yīng)壩前水位89.23 m，正常蓄水位相應(yīng)庫(kù)容4 772×104m3(原始庫(kù)容，下同)，死水位1 855 m，死庫(kù)容567×104m3，興利庫(kù)容4 205×104m3(泥沙淤積30年后剩余興利庫(kù)容3 581×104m3)。水庫(kù)總庫(kù)容5 105×104m3，電站裝機(jī)容量24 MW，多年平均年發(fā)電量0.74×108kW·h，裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)3 083 h。壩高97.5 m，壩基高程1 802.5 m，溫泉水利樞紐工程具有灌溉、工業(yè)供水及發(fā)電等綜合利用效益。工程建成后，到2025年經(jīng)水庫(kù)調(diào)蓄供水，解決卡普斯浪河流域灌區(qū)季節(jié)性缺水問(wèn)題；并承擔(dān)向下游拜城縣產(chǎn)業(yè)園區(qū)工業(yè)供水；同時(shí)利用水能資源進(jìn)行發(fā)電，為阿克蘇電網(wǎng)提供可靠的電量支持。

瀝青混凝土心墻壩壩頂高程1 903.00 m，壩頂寬度為10.0 m；最大壩高97.5 m，大壩長(zhǎng)232.8 m。上游圍堰與壩體結(jié)合，圍堰頂高程1 854.5 m，大壩上游壩坡為1∶2.0，下游壩坡1∶1.8，并在下游壩坡設(shè)寬10 m、縱坡8%的之字型上壩道路，最大斷面平均坡度為1∶2.69。下游壩坡設(shè)C25F200鋼筋混凝土網(wǎng)格梁干砌石護(hù)坡。壩體填筑分區(qū)從上游至下游分為上游壩體圍堰爆破料區(qū)、上游爆破區(qū)、上游過(guò)渡料區(qū)、瀝青混凝土心墻、下游過(guò)渡料區(qū)、上游爆破料區(qū)。心墻布置型式采用直心墻，為碾壓式瀝青混凝土，心墻最大底部厚度為1.2 m，頂部厚度為0.5 m。為增加壩體抗震穩(wěn)定性及解決棄渣堆放問(wèn)題，在壩后設(shè)置棄渣平臺(tái)。大壩平面布置圖見(jiàn)圖1，典型壩段剖面圖見(jiàn)圖2。

圖1 大壩平面布置圖

圖2 典型壩段最大剖面圖

3 基于有限元方法的穩(wěn)定滲流場(chǎng)分析

3.1 基本理論

假定在各向異性巖土空隙中運(yùn)動(dòng)的流體，當(dāng)其滲透速度較小時(shí)，滲透的沿程水頭損失與流速的一次方成正比，其滲流可以看作是一種水流流線互相平行的流動(dòng)-層流，相應(yīng)流體滲流運(yùn)動(dòng)規(guī)律符合達(dá)西定律[1-3]：

vi=ki?hi

(1)

式中：vi為(i=x,y,z)3個(gè)主方向的滲流速度；ki為(i=x,y,z)3個(gè)主方向的滲透系數(shù)；h(x,y,z)為各點(diǎn)測(cè)壓管水頭，它等于相應(yīng)各點(diǎn)滲透壓力與位置水頭之和，即：

其中p為滲透壓力；γw為水的重度。

基于達(dá)西滲流定理，對(duì)于二維非均質(zhì)各向異性土體，通過(guò)考慮巖土材料的壓縮性，相應(yīng)非穩(wěn)定滲流方程可以表示如下[4]：

式中：t為時(shí)間；Ss為單位貯存量。

當(dāng)不考慮液體與巖土材料的壓縮性時(shí)，相應(yīng)穩(wěn)定滲流方程可以表示如下[5]：

基于浸潤(rùn)面邊界條件，式(3)與式(4)可以對(duì)混凝土面板堆石壩土壩滲流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。

邊界條件和初始條件統(tǒng)稱定解條件，定解條件通常由野外觀測(cè)資料或?qū)嶒?yàn)確定，對(duì)流動(dòng)過(guò)程起決定作用[6-8]。

在混凝土面板堆石壩滲流場(chǎng)求解過(guò)程中，相應(yīng)滲流邊界條件以及初始條件對(duì)于滲流計(jì)算結(jié)果具有決定性作用。本文主要采用3種邊界條件(圖3)分別為：

1)給定水頭邊界條件Γ1：H=H0；

2)不透水邊界Γ2：?H/?n=0；

3)滲出面Γ3：H(x,y,z)=Z(x,y),?H/?n>0

式中：n為邊界外法線方向。

圖3 壩體滲流邊界條件示意圖

由于在有限元求解過(guò)程中，無(wú)法對(duì)單元節(jié)點(diǎn)水頭進(jìn)行直接求導(dǎo)，因此本文采用中間截面法(圖3)。

3.2 有限元計(jì)算模型

本文結(jié)合該壩實(shí)際工程水位地質(zhì)模型建立其二維滲流有限元模型及材料分區(qū)及相應(yīng)離散的有限元網(wǎng)格(圖4)，模型采用四邊形網(wǎng)格。

圖4 壩體二維有限元網(wǎng)格

大壩各分區(qū)材料滲透系數(shù)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)取得，各材料分區(qū)滲透系數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 各材料分區(qū)滲透系數(shù)

根據(jù)溫泉水庫(kù)各特征水位取計(jì)算工況，下游水位取對(duì)應(yīng)工況下的下游河道水位，具體計(jì)算工況見(jiàn)表2。

表2 大壩滲流場(chǎng)計(jì)算邊界條件表

3.3 滲流有限元計(jì)算成果分析

為充分反映該瀝青心墻壩滲流計(jì)算成果，整理并分析最大斷面水頭分布圖和關(guān)鍵部位的滲流要素統(tǒng)計(jì)表，水頭等值線見(jiàn)圖5，滲流要素統(tǒng)計(jì)成果見(jiàn)表3，通過(guò)分析可以得出以下結(jié)論：

圖5 最大斷面正常運(yùn)行工況下水利要素

表3 瀝青心墻壩關(guān)鍵部位滲流要素統(tǒng)計(jì)表

1) 由最大斷面正常運(yùn)行工況下水頭等值線圖可以得出，滲流場(chǎng)呈現(xiàn)明顯規(guī)律性，符合一般瀝青心墻壩滲流場(chǎng)規(guī)律。各控制工況下，等水頭線均集中在瀝青心墻和壩基防滲帷幕內(nèi)，浸潤(rùn)線在瀝青心墻內(nèi)形成陡降，上游壩殼料內(nèi)水面線與庫(kù)水位一致，下游壩體內(nèi)浸潤(rùn)線貼近壩體地面線較平緩，很明顯瀝青心墻與帷幕灌漿防滲體發(fā)揮了重要作用。

2) 從表3瀝青心墻壩關(guān)鍵部位滲流要素統(tǒng)計(jì)表可以得出，各控制工況下瀝青心墻內(nèi)滲透坡降在31.089～71.277之間；下游壩體內(nèi)浸潤(rùn)線較為平直，因此出逸處滲透坡降較低，各計(jì)算工況下為0.057～0.089。根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)資料中壩體堆石料試驗(yàn)結(jié)果，下游出逸處的允許滲透坡降為0.100，出逸處計(jì)算滲透坡降小于允許滲透坡降。

3) 從表3瀝青心墻壩關(guān)鍵部位滲流要素統(tǒng)計(jì)表結(jié)果可知，各控制工況下計(jì)算斷面所得的單寬滲透流量是隨水位的降低而減小，為0.315～0.800 m3/m·d。壩頂長(zhǎng)按232 m計(jì)，大壩日滲漏量最大值約為73.08～185.60 m3，年滲漏量為2.667×104～6.774×104m3，年滲流量占多年平均徑流量的0.005%～0.012%，計(jì)算所得大壩滲漏量較低。

4 結(jié) 論

本文采用穩(wěn)定滲流有限元方法對(duì)新疆溫泉瀝青混凝土心墻壩滲流安全性進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1) 滲流有限元計(jì)算成果表明，各控制工況下等水頭線均集中在瀝青心墻和壩基防滲帷幕內(nèi)，上游壩殼料內(nèi)浸潤(rùn)線平直與庫(kù)內(nèi)水位基本一致，浸潤(rùn)線在瀝青心墻內(nèi)形成陡降，下游壩體內(nèi)浸潤(rùn)線平緩接近地面線。

2) 壩體壩基滲流場(chǎng)呈現(xiàn)明顯規(guī)律性，符合一般面板瀝青混凝土心墻壩滲流場(chǎng)變化規(guī)律，心墻及壩基防滲帷幕起到了良好的防滲效果，下游出逸點(diǎn)計(jì)算滲透坡降小于允許滲透坡降，滿足規(guī)范要求。

3) 大壩日滲漏量最大值約為73.08～185.60 m3，年滲漏量為2.667×104～6.774×104m3，年滲流量占多年平均徑流量的0.005%～0.012%，計(jì)算所得大壩滲漏量較低。