飛來峽水利樞紐土壩段滲流穩(wěn)定計(jì)算分析

2021-10-24 09:52:24林小聰

黑龍江水利科技 2021年10期

林小聰

(廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510635)

1 概述

飛來峽水利樞紐位于廣東省北江干流中游，壩址控制流域面積34097km2，作為綜合性利用工程，具有防洪排澇、航運(yùn)、發(fā)電等多種功能。

飛來峽水利樞紐設(shè)計(jì)等級為一等，其擋水建筑物可以達(dá)到1級，依據(jù)500a一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，混凝土擋水建筑物的校核標(biāo)準(zhǔn)為5000a一遇洪水，土壩和副壩防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到了10000a一遇。水庫正常蓄水位24m，設(shè)計(jì)洪水位31.17m，校核洪水位33.17m。飛來峽水利樞紐主要建筑物由溢流擋水壩、主土壩、船閘、電站、副壩等組成。

樞紐的布置設(shè)計(jì)結(jié)合了地形條件、地質(zhì)結(jié)構(gòu)，并考慮到了施工環(huán)境，主要項(xiàng)目包括廠房、船閘、擋水壩、溢流壩、連接壩、土壩等。此外，左右岸埡口設(shè)有四座副壩，在樞紐左岸還有社崗防護(hù)工程。壩頂高程34.8m，壩頂長度(含泄水建筑物)2358m，最大壩高52.3m。壩頂上游設(shè)寬度為8.0m的公路橋，貫穿整個樞紐的交通。

溢流擋水壩采用混凝土重力式結(jié)構(gòu)，混凝土壩長度為531.3m，其中溢流壩前沿總長度為285m，壩頂高程34.8m，最大壩高52.3m，共設(shè)16個泄洪孔，采用弧形鋼閘門，其中15孔為帶胸墻的泄洪孔，孔口尺寸14m×12m，堰頂高程為9m，另一孔為排漂孔，堰頂高程為16m，設(shè)計(jì)洪水泄洪量為21800m3/s，校核洪水泄洪量為28700m3/s。

主土壩為均質(zhì)土壩，位于右岸，土壩長度為1756m，防滲采用混凝土連續(xù)墻，墻厚0.8m，深入強(qiáng)風(fēng)化巖0.5m。

2 計(jì)算的基本資料

2.1 主土壩的計(jì)算模型

選取最大壩高斷面最為滲流復(fù)核計(jì)算的典型斷面，主土壩計(jì)算簡圖，見圖1。

2.2 壩體及壩基土層計(jì)算參數(shù)

2.2.1 填土

壩體施工的填土土料來源于周邊山體的坡積土以及花崗巖風(fēng)化土，土質(zhì)主要為黏土質(zhì)砂以及含低砂黏性土。依據(jù)土工試驗(yàn)結(jié)果，填筑土料干密度ρd在1.57-1.75g/cm3之間，均數(shù)1.69g/cm3，質(zhì)地較為密實(shí)；標(biāo)貫試驗(yàn)成果表明，多填筑土為硬塑與中密，填土的壓實(shí)強(qiáng)度可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。結(jié)合各類土樣試驗(yàn)粒徑分布曲線，壩體填土細(xì)粒含量Pc平均值為49.2%，屬于易發(fā)生滲透的流土質(zhì)，其臨界水力比降的計(jì)算方法為Jcr=(Gs-1)×(1-n)，可靠系數(shù)2.0，臨界水力比降經(jīng)計(jì)算后結(jié)果為Jcr=0.953，水力比降的計(jì)算J允許=0.476。

花崗巖體的填筑土的滲透系數(shù)確定。結(jié)合注水試驗(yàn)結(jié)果K3.75×10-3m/s(取最大限值)，室內(nèi)的試驗(yàn)計(jì)算K20=1.56×10-5cm/s (取最大限值) 。壩體的填土層屬于中等-弱透水性土質(zhì)。鉆孔注水試驗(yàn)多在壩體上部進(jìn)行，且鉆孔多在壩項(xiàng)的一側(cè)(不在壩項(xiàng)中部)，注水試驗(yàn)滲透系數(shù)可能會稍偏大，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)成果，壩體的填土屬于中等-弱透水性。

針對大壩前坡面與后坡面的保護(hù)采用了干砌石，分別并在壩前、后坡設(shè)計(jì)有馬道，避免雨水沖刷的影響，以提升坡體的穩(wěn)定性。大壩壩頂與壩坡未發(fā)現(xiàn)有裂縫[1]。

2.2.2 壩基

根據(jù)前期資料，主壩土壩段河床沖積層厚16-18m，上、中、下層分別為含礫-礫質(zhì)中粗砂、砂卵礫石和含泥砂卵礫石層(本層厚1.5-3.0m，局部尖滅)，滲透性強(qiáng)；右?guī)r灘地沖積層厚25-28m；上層為砂壤土、壤土、黏土等，滲透性弱；河床和灘地沖積層下為全風(fēng)化土和強(qiáng)風(fēng)化巖，全風(fēng)化巖為弱透水性，強(qiáng)-弱風(fēng)化巖均屬弱-中等透水性。

本次復(fù)核采用的壩體土料物理力學(xué)指標(biāo)參照《飛來峽水利樞紐工程安全鑒定工程地質(zhì)勘察報(bào)告》、《施工圖地質(zhì)報(bào)告》和《竣工地質(zhì)報(bào)告》有關(guān)巖土層材料參數(shù)建議值。主壩是塑性混凝土防滲心墻土壩，由于沒有其防滲墻材料試驗(yàn)的滲透參數(shù)，本次復(fù)核根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取。

主壩(河床段)壩體各土層物理力學(xué)參數(shù)表，見表1。

2.3 工況的計(jì)算

復(fù)核計(jì)算通過有限元分析，依據(jù)二維平面計(jì)算滲流的穩(wěn)定性。通過對土壩各工況進(jìn)行計(jì)算分析，判斷土壩的滲透穩(wěn)定情況[2]。土壩滲流穩(wěn)定分析采用河海大學(xué)開發(fā)的Autobank6.0軟件進(jìn)行計(jì)算。

滲流分析計(jì)算考慮水庫運(yùn)行中出現(xiàn)的不利水位的組合，根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001)第8.1.2條規(guī)定，本次土壩的滲流分析計(jì)算按以下4種工況進(jìn)行分析：

荷載工況分類：

1)工況1：上游蓄水位正常、下游最低水位；

2)工況2：上游高水位、下游高水位。

特殊組合工況

3)工況3：上游洪水位與下游最低水位；

4)工況4：上游防洪高水位驟降至防洪起調(diào)水位(驟降所需時間按24n考慮)。

3 滲流計(jì)算結(jié)果

3.1 滲流計(jì)算結(jié)果

主壩典型斷面各相應(yīng)工況的滲流計(jì)算流網(wǎng)，主壩滲流工況1計(jì)算流網(wǎng)圖，見圖2；主壩滲流工況2計(jì)算流網(wǎng)圖，見圖3；主壩滲流工況3計(jì)算流網(wǎng)圖，見圖4；主壩滲流工況4驟降過程計(jì)算浸潤線，見圖5，滲流量計(jì)算結(jié)果匯總表，見表2。

圖2 主壩滲流工況1計(jì)算流網(wǎng)圖

圖3 主壩滲流工況2計(jì)算流網(wǎng)圖

圖4 主壩滲流工況3計(jì)算流網(wǎng)圖

圖5 主壩滲流工況4驟降過程計(jì)算浸潤線

表2 滲流量計(jì)算結(jié)果匯總表

對滲流計(jì)算結(jié)果圖2-4及表2進(jìn)行分析，主壩的滲流分析結(jié)論如下：

1)主壩塑性混凝土墻進(jìn)入弱透水層——全風(fēng)化層，各種工況下等水頭線在塑性混凝土區(qū)域集中，水頭驟減，表明大壩采用混凝土防滲墻的防滲措施(防滲墻底部插入風(fēng)化花崗巖，防滲墻頂部插入壩體，頂部達(dá)到26.0m高程，已超過水庫正常水位24.0m。)起到了良好的防滲、截滲效果。由于滲流場在塑性混凝土區(qū)域以下的水頭降低很低，已基本與大壩下游壩區(qū)地下水位一致。

2)土壩段計(jì)算單寬滲漏量均很小，說明壩體(堤身)防滲效果較好。

3)經(jīng)現(xiàn)場檢查，主土壩背水坡無出現(xiàn)牛皮漲現(xiàn)象，排水體運(yùn)行情況良好。

3.2 主土壩實(shí)測浸潤線與復(fù)核計(jì)算值擬合比較

根據(jù)主土壩實(shí)測資料，結(jié)合本次復(fù)核計(jì)算采用的典型斷面，采用主壩河床段典型斷面樁號為1+025的浸潤線觀測資料，主土壩典型斷面1+025浸潤線觀測資料，見表3，主壩段典型斷面浸潤線對比圖，見圖6。

圖6 主壩段典型斷面浸潤線對比圖

表3 主土壩典型斷面1+025浸潤線觀測資料 m

從圖6浸潤線對比可知：

1)實(shí)測浸潤線略高于復(fù)核計(jì)算浸潤線，主要因?yàn)椋孩僦饕蛩谟蛑魍翂螌?shí)測浸潤線上下游水位相對較高些；②計(jì)算采用的滲透系數(shù)k與壩體實(shí)際各部位滲透系數(shù)k可能不一致。

2)主土壩實(shí)測浸潤線段出現(xiàn)逆向小幅回升異常現(xiàn)象，主要因?yàn)椋孩偕嫌嗡缓拖掠嗡惶幱趧討B(tài)變化中，只在短期內(nèi)可以保持穩(wěn)定，土壩的滲流因此長期處于不穩(wěn)定滲流狀態(tài)，滲流的穩(wěn)定是短期的。此外，土壩滲透壓力的變化與測壓管內(nèi)的水位變化會滯后于庫內(nèi)水位的改變，測點(diǎn)的水位準(zhǔn)確性要考慮到不同期庫水位的影響，還要結(jié)合前期庫水位與變化速度存在的影響；② 壩體滲透系數(shù)k存在空間上的的不均勻性，加上溫度會影響到滲流 (由于滲透系數(shù)k會隨著溫度的改變而發(fā)生變化。溫度升高會增大滲透系數(shù))。滲流場處于均勻分布，幅度發(fā)生變化時，滲流場滲透系數(shù)會等比例變化，場內(nèi)的滲透壓力會保持恒定，滲流量會隨滲透系數(shù)的變化而發(fā)生線性變化。滲透系數(shù)不會同比例發(fā)生變化，滲透壓力會逐漸變化。

綜合認(rèn)為： ①主土壩實(shí)測浸潤線與復(fù)核計(jì)算浸潤線不完全吻合，但偏差較小；②大體上主土壩實(shí)測浸潤線與復(fù)核計(jì)算浸潤線基本協(xié)調(diào)；③二者之間的差別對壩體抗滑穩(wěn)定的影響可忽略不計(jì)，且均滿足滲透穩(wěn)定[3]。

4 滲流穩(wěn)定性計(jì)算和結(jié)論

復(fù)核方法為有限元分析，依據(jù)二維平面問題計(jì)算滲流穩(wěn)定性。通過對土壩各工況進(jìn)行計(jì)算分析，判斷土壩的滲透穩(wěn)定情況。土壩滲流穩(wěn)定分析采用河海大學(xué)開發(fā)的Autobank6.0軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法采用簡化畢肖普法[4]。

(1)

式中：W為土條的實(shí)際重量，kN：W1為壩坡水位以上濕重，kN；W2為壩坡水位以下浮重，kN；V為地震慣性力，kN(上為“—”，向下為“+”)；u為土條底面孔隙壓力，kPa，本次計(jì)算取0；b為土條的實(shí)際寬度，m；α為條塊重力線與底面半徑間的夾角，°；c'、φ'為土條強(qiáng)度指標(biāo)，kPa、°；MC為水平地震慣性力對圓心的力矩，kN·m；R為圓弧半徑。

主壩典型斷面各相應(yīng)工況的穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見圖7-10及表4。主壩工況1壩坡穩(wěn)定計(jì)算成果圖，見圖7；主壩工況2壩坡穩(wěn)定計(jì)算成果圖，見圖8；主壩工況3壩坡穩(wěn)定計(jì)算成果圖，見圖9；主壩工況4壩坡穩(wěn)定計(jì)算成果圖，見圖10。

滲流量計(jì)算結(jié)果匯總表，見表4。