混凝土面板堆石壩垂直縫止水劣化過程量水堰監測分析

章宇璟,鄭東健,阮洪松,吳金榮

(1.江西省水利規劃設計研究院,江西 南昌 330029; 2.江西省水工結構工程技術中心,江西 南昌 330029;3.河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098; 4.閩東水電開發有限公司,福建 寧德 352000)

混凝土面板堆石壩由于其具有工期短、投資省、安全性好、適應性強等優點[1],逐漸受到工程界歡迎。面板堆石壩是以堆石作為主要支撐材料,以鋼筋混凝土面板作為傳遞水壓力和防滲的土石壩壩型[2]。堆石區主要通過人工或機械碾壓而成,面板堆石壩的防滲體系主要由上游面板、趾板和防滲帷幕構成[2]。由于面板堆石壩結構及施工方法等原因,面板上設置垂直縫、水平縫等[3],這些面板縫的設置主要為了使面板易于伸縮以適應溫度應力及主堆石區沉降引起的變形[4],避免面板裂縫的產生[5-6]。這些接縫止水若不滿足要求而發生劣化,將影響大壩正常運行,嚴重情況下會導致墊層、過渡層發生滲透變形,危及壩體安全[7]。自1895年美國建成54 m高的Morena混凝土面板堆石壩至今[8],由于面板堆石壩防滲體系破壞導致的事故不在少數。鑒于混凝土面板堆石壩防滲體系的重要性,對面板接縫止水的研究成為一個重要的課題,盛金寶等[9]研究了面板與高擋墻底板間接縫止水劣化后面板壩的滲流變化規律;丁留謙等[10]對自愈型止水結構進行了研究;盧廷浩等[11]采用有限元方法模擬垂直縫失效后滲流,結果表明面板失效縫附近滲流偏離達西定律。前人在面板接縫止水劣化情況下滲流規律的研究中,對量水堰測值變化規律與面板接縫止水狀態之間的關系認識不足。本文以某面板堆石壩為例,采用有限元計算方法,分析混凝土面板堆石壩垂直縫止水劣化對壩后量水堰測值的影響,建立滲透坡降與量水堰測值的關系曲線,可為應用量水堰測值反映大壩滲流安全提供基礎參考。

1 滲流三維有限元分析原理

水電站工程區地質條件復雜,為了達到防滲的目的,在壩基和兩岸山體均布置了防滲帷幕,以減少滲透流量,因此地下滲流場十分復雜[12-15]。在復雜的地質條件和滲控系統下,計算域內的滲流場具有以下顯著的特點:①壩體及壩基構成一空間整體結構,其滲流場具有較強的三維流動特點[16];②壩體及兩岸山體滲流具有形態復雜的自由面,它既是求解滲流問題中必不可少的一個邊界,同時又是一個需要求解的未知邊界。鑒于上述特點,對于實際工程三維滲流問題研究的關鍵在于解決具有自由面滲流場的模擬求解方法。對不可壓縮流體,連續方程為[17-18]

(1)

式中:vx、vy、vz分別為沿x、y、z方向的流速。

根據達西定律,穩定滲流的微分方程為[19]

(2)

式中:h為水頭函數;kxx、kxy、kxz分別為沿x方向的主滲透系數kx在x、y、z方向上的投影;kyx、kyy、kyz分別為沿y方向的主滲透系數ky在x、y、z方向上的投影;kzx、kzy、kzz分別為沿z方向的主滲透系數kz在x、y、z方向上的投影。

當邊界上的水頭已知時,邊界條件為[20-22]

h(x,y,z)Γ1=f(x,y,z)

(3)

式中:f(x,y,z)為已知水頭;Γ1為滲流區域邊界面。

當邊界上的法向流速vn已知時,邊界條件為

(4)

考慮到各向異性,式(4)可以寫為

(5)

式中:q0為已知流量;n為Γ2的外法線向量;k為滲透系數;Γ2為第二類邊界條件。

2 實例分析

2.1 工程概況

某水電站大壩為面板堆石壩,校核洪水位(P=0.02%,其中P為洪水頻率)為366.93 m,設計洪水位(P=0.5%)為365.04 m,正常蓄水位為365.00 m。水電站量水堰設在距大壩下游壩趾30 m處,設左、右兩個90°角的三角堰,量水堰截水墻墻頂高程約為284.00 m。

2.2 有限元模型及參數

該水電站工程區滲流三維有限元模型如圖1所示,計算模型沿壩軸線方向的長度為391 m,順河向的長度為466 m。模型在壩體四周分別取超出一倍壩高的區域作為巖體及地基,包括了可影響計算域滲流場的主要邊界范圍。該有限元模型主要模擬了面板、垂直縫、墊層、過渡層、主堆石區、次堆石區、周邊縫、趾板、帷幕、擋墻、量水堰、巖體等。模型主要采用六面體八節點單元,并輔以三棱柱單元,共有110 197個單元,117 091個節點。

圖1 該混凝土面板堆石壩滲流三維有限元模型

根據設計資料,面板滲透系數取為1×10-10m/s,墊層滲透系數取為1.5×10-5m/s,過渡層滲透系數取為5×10-4m/s,主堆石區滲透系數取為4×10-3m/s,次堆石區滲透系數取為0.04 m/s,趾板滲透系數取為1×10-10m/s,帷幕滲透系數取為1.5×10-7m/s,巖體滲透系數取為3×10-7m/s。

2.3 計算工況

該水電站工程區滲流場的模擬中,分析區域基礎底邊界、上下游截取邊界取為不透水邊界,分析區域上游水位取正常蓄水位365.00 m,下游水位取284.00 m,上下游水位以下的壩面及河床均視為已知邊界,量水堰外取0孔壓邊界。左右岸邊界依照地下水位取為地下水水頭邊界。壩體下游河床水位以上、左右兩岸截取邊界水位以下部分地表,均視為可能溢出邊界,需經有限元軟件迭代計算后確定真正溢出區域。

在該三維有限元模型的基礎上,在LL4、LL5面板之間以及LL0、LL1面板之間設置一排寬度為12 mm的單元用來模擬垂直縫。并將LL0和LL1面板之間垂直縫按高程分為三等分,其中高程276～305.2 m之間為下部縫、高程305.2 ～334.5 m之間為中部縫、高程334.5～363.7 m之間為上部縫。為了分析不同位置、不同高程面板垂直縫止水發生不同程度劣化時,通過面板滲漏量、量水堰測得滲漏量及滲透坡降的變化規律,探究量水堰測值能否反映面板垂直縫止水劣化,擬定滲流計算工況如下:

a. 正常工況。根據埋設在垂直縫內測縫計實測資料,得出正常運行情況下面板垂直縫開度,計算出垂直縫滲透系數,模擬正常工況下滲流情況。

b. 面板垂直縫止水劣化工況。通過分別增大LL4和LL5面板之間、LL0和LL1面板之間垂直縫單元及上部縫、中部縫、下部縫單元的滲透系數(由混凝土完好情況下滲透系數逐漸增大至1×10-4m/s),模擬面板左岸垂直縫、中間垂直縫及不同高程的中間垂直縫止水劣化過程中的滲流。

2.4 計算結果與分析

2.4.1正常工況

由布置在該面板堆石壩垂直縫內測縫計監測資料可知,從2012年4月6日至2015年12月24日,面板垂直縫開度隨水位、溫度發生變化,變化范圍在-2.38～7.30 mm之間(張開為正,閉合為負)。裂隙開度與水力傳導系數的關系式為[19]

(6)

式中:kf為水力傳導系數;g為重力加速度;β為裂隙的連續性系數(裂隙的張開面積與總面積之比),取為6.005×10-4;b為裂隙平均張開度,取為-2.38～7.30 mm;ν為水的運動黏滯系數,取為1.029 9×10-6kPa·s;c為決定于裂隙相對粗糙度的系數,取為0.5。

將上述各水力系數代入式(6)中計算可得,正常運行情況下垂直縫滲透系數在5.40×10-9～5.08×10-8m/s范圍內。經ABAQUS軟件進行有限元計算得出,正常工況下,通過面板滲漏量在0.62 L/s左右,量水堰測值在4.53 L/s左右。墊層滲透坡降為0.520,過渡層滲透坡降為0.117,主堆石區滲透坡降為0.018,次堆石區滲透坡降為0.008。浸潤線在面板內急劇下降,之后幾乎保持水平,表明面板具有較好的防滲性能。

2.4.2面板垂直縫止水劣化工況

2.4.2.1 滲透坡降和浸潤面

通過ABAQUS軟件對垂直縫止水劣化過程進行滲流計算,計算墊層區、過渡層區最大滲透坡降。由于篇幅限制,只列出面板中間垂直縫止水劣化計算結果,圖2顯示了滲透坡降隨垂直縫滲透系數變化曲線,圖3給出了滲透坡降隨量水堰測值變化曲線。

圖2 滲透坡降隨垂直縫滲透系數變化曲線

圖3 滲透坡降隨量水堰測值變化曲線

由圖2可知,當垂直縫滲透系數大于5×10-5m/s時,墊層區滲透坡降超出允許值,墊層區可能發生滲透變形,危及壩體安全。為了能夠更詳細反映出由于垂直縫止水劣化導致壩體發生滲透破壞,在垂直縫滲透系數為5×10-5m/s、墊層區滲透坡降為3.094的基礎上,模擬LL0和LL1面板之間垂直縫由高程368 m至高程374.2 m止水繼續劣化,直至垂直縫滲透系數為1×10-4m/s。

由圖2和圖3對比可以看出,隨滲透系數增大,墊層區、過渡層區最大滲透坡降逐漸增大,量水堰測值也逐漸增大。量水堰測值能夠反映出墊層區是否發生滲漏破壞,當墊層滲透坡降為3.094時,量水堰測值為6.88 L/s。因此,在長期無降雨情況下,若量水堰測值超出6.88 L/s,應當加以重視,及時檢查,防止發生滲漏破壞。

圖4 面板破壞情況下浸潤面分布

由圖4可知,相較于左岸垂直縫止水劣化,面板中間垂直縫止水劣化時浸潤面上升范圍較高,表明面板中間垂直縫止水劣化對滲流場影響較大。從面板中間垂直縫不同高程止水劣化對浸潤面的影響可以看出,下部縫止水劣化時浸潤面最高,上部縫止水劣化時浸潤面最低,說明隨止水劣化深度增加,止水劣化對滲流場影響逐漸增大。

2.4.2.2 滲漏量

對垂直縫止水劣化過程進行模擬,計算出不同劣化情況下的滲漏量。圖5顯示了不同部位面板垂直縫止水劣化對量水堰測值和通過面板滲漏量的影響。

由計算結果可知,隨面板垂直縫止水劣化,垂直縫滲透系數逐漸增大,當垂直縫滲透系數小于墊層滲透系數1.5×10-5m/s時,通過面板滲漏量及量水堰測值基本保持不變(圖5);當垂直縫滲透系數大于墊層滲透系數1.5×10-5m/s后,通過面板滲漏量增大較為明顯,同時量水堰能夠測出滲漏量的增大。由量水堰測值及通過面板滲漏量的比較可知,量水堰不能完全測出通過面板的滲漏量。由面板左岸垂直縫和面板中間垂直縫止水劣化的計算結果的比較可知,面板中間垂直縫止水劣化時引起滲漏量變化更為顯著。由面板中間垂直縫不同高程止水劣化的計算結果比較可知,隨高程降低,垂直縫止水劣化引起的滲漏量增大更為明顯。因此可以判斷面板中間垂直縫止水劣化較面板左岸垂直縫止水劣化對滲漏量影響更大,面板下部垂直縫止水劣化較面板上部和中部垂直縫止水劣化對滲漏量影響更大。

3 結 論

a. 隨面板止水劣化,面板中間垂直縫較面板左岸垂直縫引起的滲漏量更大、浸潤線上升更為明顯;面板中間垂直縫隨高程降低,引起的滲漏量增加、浸潤線上升更為明顯。

b. 當垂直縫滲透系數大于墊層滲透系數時,墊層區最大滲透坡降超出允許值,墊層區可能發生滲透變形,導致滲透破壞。通過建立滲透坡降與量水堰測值關系,可以由量水堰測值及時反映墊層區滲流規律。在長期無降雨情況下,若量水堰測值超出墊層發生滲透破壞時對應的量水堰測值時,應當加以重視,及時檢查,避免發生滲漏破壞,保持壩體滲流安全。