基于Abaqus下某水電站大壩防滲墻對滲流場影響特性分析研究

麥麥提明·依比布拉

(新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域喀什管理局，新疆 喀什 844700)

作為人類發(fā)展不可或缺的水電能源，高效利用水資源發(fā)電是當(dāng)前各國水利能源工程攻堅(jiān)研究課題[1-2]，而水電站選址建設(shè)是重要子課題，大壩作為水電站重要水工建筑結(jié)構(gòu)組成部分，許多學(xué)者利用原位模型試驗(yàn)分析了結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性[3-4]；基于數(shù)值模擬計(jì)算軟件開展數(shù)值試驗(yàn)，研究壩體滲漏效果[5-6]；或研究其他新興人工材料在大壩防滲結(jié)構(gòu)中應(yīng)用效果[7-8]；但限于工程場地差異性，不同地區(qū)不同場地防滲措施并不一定具有同樣效果，有必要根據(jù)具體工程實(shí)例，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)模擬手段，研究大壩滲流特性，指導(dǎo)現(xiàn)場壩體防滲結(jié)構(gòu)施工。

1 工程概況

某水電站大壩修建采用混凝土堆石澆筑，設(shè)計(jì)壩頂高程為812.3 m，壩頂修建有寬為10.6 m公路，壩高曲線最大值為101.3 m，上下游坡度分別為0.71、0.64，設(shè)計(jì)蓄水位為802.5 m，枯水期蓄水位為 737.8 m。每年該水電站可供應(yīng)電力超過8億kW·h，該水電站以混凝土堆石壩為主體向兩側(cè)岸坡逐漸延伸，溢洪道、消力池及其他輸送電力廠房等均在延伸路段內(nèi)，包括現(xiàn)場管理駐所及其他建筑結(jié)構(gòu)，擋水等級均為Ⅰ級。壩體設(shè)計(jì)填筑370萬m3混凝土，所用填筑料除混凝土為現(xiàn)場制作使用，其他混合砂礫石料均來自距工程現(xiàn)場4 km處山體開挖爆破，最大粒徑為 600 mm，混凝土選用為C30素混凝土。壩體乃是該水電站直接承受水流滲透作用直接載體，為此工程部門考慮對該壩體加筑防滲墻，墻厚為1.2 m，高度最大為45 m，穿過基巖層，保護(hù)壩趾及壩基；另一方面設(shè)計(jì)有趾板與面板結(jié)構(gòu)，防護(hù)壩身與壩肩，面板采用鋼筋混凝土制作，厚度為55.5 cm，位于壩體底部高程為680 m處，趾板建于基巖上覆土層中，并在現(xiàn)場施工過程中通過帷幕灌漿工藝穿過趾板，降低壩體內(nèi)部滲流場活躍度，控制滲漏量，大壩幾何剖面示意如圖1所示。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料，該水電站場地為Ⅱ類，基巖層為弱風(fēng)化花崗巖，層狀構(gòu)造，與下覆巖層為不整合接觸，上覆土層厚度較大，以平均含水量為62%的粉質(zhì)粘土為主，并夾有部分細(xì)砂巖，土質(zhì)較均勻；另還有砂土層，粒徑為0.2～2 mm，可塑狀態(tài)，弱風(fēng)化，該土層雖厚度并非最厚一層覆蓋土，但其分布面積最廣；在深厚覆蓋土層中還夾有砂礫卵石，受河流沖積搬運(yùn)作用，磨圓度較高。室內(nèi)巖土工程試驗(yàn)表明基巖標(biāo)準(zhǔn)承載力為500 kPa，含水量為58.3%。

圖1 大壩幾何剖面示意(單位：高程m)

2 大壩地基滲流場影響特性分析

2.1 模型建立及參數(shù)選取

在上述工程地質(zhì)資料分析基礎(chǔ)上，利用Abaqus有限元軟件建立簡化后水電站幾何模型，該模型包括水電站所有重要結(jié)構(gòu)，并可計(jì)算防滲墻與帷幕灌漿等多種工況下滲流特征參數(shù)結(jié)果。圖2為巖土材料概念化后壩體沿壩軸線剖面示意。為在有限元分析軟件中更易于計(jì)算壩體滲流場特征參數(shù)表現(xiàn)結(jié)果，將基巖上覆蓋層厚度取值設(shè)定為50 m，包括弱風(fēng)化層與強(qiáng)風(fēng)化層，分別為30 m、20 m，并結(jié)合面板、墊層等簡化后結(jié)構(gòu)部分，獲得簡化后壩體示意(如圖3所示)。

圖2 壩體沿壩軸線剖面示意(單位：m)

圖3 簡化后壩體示意

在上述分析基礎(chǔ)上，定義上游至下游指向?yàn)閄軸，從右岸坡至左岸坡為Y軸，水電站豎直方向?yàn)閆軸，利用Abaqus軟件建立壩體數(shù)值模型，如圖4(a)所示，按照數(shù)值模擬過程[9-10]，劃分出網(wǎng)格單元體，獲得有158 637個(gè)節(jié)點(diǎn)，101 654個(gè)單元體，巖土變形準(zhǔn)則采用彈塑性模型D-P準(zhǔn)則，以SOLID65模型為基本單元體，劃分單元體后模型如圖4(b)所示。

(a)壩體數(shù)值模型 (b)劃分單元體模型

模型壩體中包括有基巖層、岸坡巖層、風(fēng)化覆蓋層、面板及墊層等部分結(jié)構(gòu)，其中，基巖層彈性模量為81 GPa，泊松比為0.31，岸坡巖層彈性模量取 55 GPa，兩者滲透系數(shù)均為10-6m/s，覆蓋層滲透系數(shù)為1.5×10-6～4.5×10-6m/s，面板及墊層滲透系數(shù)分別為1.5×10-7m/s、10-5m/s。本文主要對壩體正常運(yùn)營期與死水期工況開展?jié)B流場特征參數(shù)分析，其中正常運(yùn)營期施加邊界荷載上、下游水頭分別為300 m、200 m，死水期邊界荷載上、下游水頭分別為295 m、200 m。

2.2 無防滲措施下滲流場

在無防滲措施條件下，分別給壩體數(shù)值模型施加正常蓄水期與死水期邊界條件(如圖5所示)，基于多次迭代計(jì)算，獲得壩體滲流場各特征參數(shù)值及分布云示意(如圖6所示)。

圖5 施加邊界條件

從圖6可看出，總水頭分布呈上游至下游逐漸降低，壩體迎水側(cè)總水頭較高，最大可達(dá)300 m，分布在上游壩身、兩側(cè)岸坡及壩基等區(qū)域，下游背水側(cè)總水頭最低僅為213.3 m，從上游至下游總水頭整體降幅達(dá)28.9%，壩頂區(qū)域總水頭為253.3～266.7 m。另一個(gè)特征參數(shù)壓力水頭最大值為292.8 m，分布在上游迎水側(cè)壩體深覆蓋地基層，分布面積占計(jì)算模型中21.4%，兩側(cè)岸坡壓力水頭成一致性表現(xiàn)，從岸坡頂部至底部巖土層中，壓力水頭逐漸增大，分布范圍為-66.7～-133.3 m，負(fù)孔隙水壓力與岸坡此區(qū)域內(nèi)地下水位有關(guān)。等水頭線計(jì)算結(jié)果表明，浸潤線均在壩體面板處迅速下降。

(依次為總水頭、壓力水頭、等水頭線及浸潤線)

圖7 Y=295、X=395.5斷面等水頭線(蓄水期)

圖7為Y=295、X=395.5斷面等水頭線特征。從圖7中可看出，在Y=295斷面處，最大最小水頭值之間降幅超過27%，且從上游至下游呈依次遞減態(tài)勢，浸潤線亦是如此。再看X=395.5斷面，該斷面上浸潤線處于水平狀態(tài)，且水頭值從兩側(cè)逐漸過渡至中間，呈“V”字形變化態(tài)勢，最大水頭降幅為6.1%，表明該大壩滲漏方向主要由上至下游方向，即壩身防滲性能缺失。根據(jù)Abaqus計(jì)算結(jié)果表明，大壩整體滲漏量為1.05 m3/s，其中壩身滲漏量為0.82 m3/s，占比超過77.1%，其次即是地基覆蓋層滲漏量超過0.1 m3/s，壩身與覆蓋層滲漏量占壩體總滲漏量超過88%，由此可知在正常蓄水位工況下，壩身滲漏是大壩滲透破壞面臨最突出問題。

圖8為死水期工況下無防滲措施大壩滲流場特征參數(shù)計(jì)算結(jié)果。從圖8中可看出，總水頭分布與正常蓄水位下有所差異，在壩體迎水側(cè)除分布有大面積最大總水頭值，壩身與深厚覆蓋層地基總水頭值相比兩側(cè)岸坡呈現(xiàn)一定層次，該層次間屬于最大總水頭值，達(dá)295 m，兩側(cè)岸坡總水頭值為288 m，下游背水側(cè)總水頭值仍然是最低，最低水頭值與正常蓄水期近乎一致，且上游至下游總水頭值降幅為28.8%，與正常蓄水期亦基本相近。壓力水頭在壩址分布及量值與正常蓄水期有相近之處，最大壓力水頭位于壩體基巖層，兩側(cè)岸坡頂直至基巖層，壓力水頭值逐漸增大，最大壓力水頭為288 m，壩身處壓力水頭值約為133.3 m，岸坡頂部壓力水頭值最低，且仍為負(fù)孔隙水壓力，與蓄水期一致。從等水頭線分布來看，上游至下游壩體整體面臨水頭逐漸減小，但上游288 m等水頭線包絡(luò)區(qū)域有壩身與基巖上覆蓋層，故死水期滲透作用亦主要以壩身與覆蓋層為主；兩側(cè)岸坡等水頭線分布間距較平緩，表明岸坡滲漏作用較弱。

同理，以Y=295、X=395.5兩個(gè)斷面為例，開展死水期等水頭線分析(如圖9所示)。根據(jù)滲漏量計(jì)算結(jié)果知，死水期大壩總滲漏量為0.97 m3/s，其中壩身滲漏量占比達(dá)80.4%，而壩身與基巖上覆蓋層總滲漏量占壩址區(qū)90%，故而解決大壩滲漏問題重要措施即是解決覆蓋層與壩身滲漏性。

(依次為總水頭、壓力水頭、等水頭線及浸潤線)

圖8 滲流特征參數(shù)計(jì)算結(jié)果(死水期)

圖9 Y=295、X=395.5斷面等水頭線(死水期)

(a)防滲帷幕結(jié)構(gòu)墻

(b)簡化壩體剖面

2.3 防滲墻下壩體滲流場

為解決壩身與覆蓋層滲漏問題，考慮布置合適的防滲墻，對壩體與地基上覆蓋層連接面加固防滲，減弱滲透破壞作用對大壩穩(wěn)定性威脅，大壩布置厚度為120 cm的帷幕結(jié)構(gòu)墻如圖10(a)所示，壩身處混凝土面板與防滲墻帷幕結(jié)構(gòu)相連。為有限元軟件分析方便，將防滲墻簡化如圖10(b)所示，各物理參數(shù)取值與前文一致，防滲墻滲透系數(shù)取10-9m/s。

由于前文分析正常蓄水期與死水期滲漏量基本接近，且滲透作用均反映在壩身與基巖上覆蓋層，故本文以正常蓄水期工況開展分析加設(shè)防滲墻后大壩滲流場特性，同時(shí)為探討防滲墻深度對大壩滲流場影響特征，設(shè)計(jì)方案1：深度為10 m，方案2：深度為20 m，方案3：深度為30 m，方案4：深度為40 m，方案5：深度為50 m。

圖11為深度為10 m與深度為50 m大壩滲流場特征參數(shù)計(jì)算結(jié)果。對比兩方案計(jì)算結(jié)果可看出，防滲墻深度為50 m比深度為10 m總水頭分布更為均勻，上游水頭在壩身與上覆蓋層均有顯著回落，壓力水頭顯示兩工況下岸坡頂部與基巖層分布基本一致，但防滲墻深度為50 m時(shí)，大壩最低壓力水頭有所降低；另外，在有防滲墻前提下，不論是深度為10 m，亦或是50 m，上游等水頭線分布稀疏，表明防滲墻存在極大改善了大壩滲流特性。

(a)總水頭

(b)壓力水頭

(c)等水頭線及浸潤線

圖12為各方案中最大水力坡降變化與滲漏量變化曲線。從圖12中可看出，防滲墻存在肯定會(huì)削弱大壩滲漏量，進(jìn)而改變壩體滲流場特征，但從防滲墻深度來看，深度在10～40 m范圍內(nèi)，滲漏量隨深度增加平緩降低，防滲墻深度為30 m比深度20 m滲漏量降低了1.2%，當(dāng)防滲墻深度超過40 m時(shí)，滲漏量陡降，降幅超過55%，表明防滲墻深度超過一定界限時(shí)，分析認(rèn)為該界限是上覆蓋層厚度，只有超過上覆蓋層厚度，穿過不透水層，防滲效果呈顯著特征。從防滲墻內(nèi)部水力坡降亦可看出，防滲墻深度增加，墻內(nèi)部水力坡降持續(xù)增長，深度為50 m，水力坡降為25.31，相比深度10 m時(shí)，漲幅超過了399.2%。由此可知，防滲墻減少了壩體滲漏量，特別是穿過上覆不透水層后，滲漏量降低明顯，且墻內(nèi)水力坡降增大亦顯著。

圖12 最大水力坡降—防滲墻深度—滲漏量變化

3 結(jié)語

為分析某水電站混凝土堆石壩滲流場特性，利用Abaqus有限元軟件，建立壩址數(shù)值模型，分別探討了有無防滲墻措施條件下大壩滲流特性，得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論與認(rèn)識(shí)：

1) 無防滲條件下，正常蓄水期與死水期總滲漏量基本接近，總水頭、壓力水頭及等水頭線分布呈相近態(tài)勢，但正常蓄水期相比量值較高，且壩身與覆蓋層滲漏總量占比超過80%。

2) 布設(shè)混凝土面板與防滲墻整體防滲結(jié)構(gòu)，極大改善了壩體滲漏量，壓力水頭及等水頭線等滲流特征參數(shù)分布較為均勻，水力坡降參數(shù)增大，防滲墻深度為10 m時(shí)水力坡降為5.07。

3) 防滲效果與防滲墻深度有關(guān)，當(dāng)防滲墻深度超過大壩不透水層時(shí)，防滲效果顯著，深度為30 m相比深度為20 m滲漏量降低了1.2%，但深度超過40 m時(shí)，滲漏量陡降，降幅超過55%。