基于ADINA的里底水利樞紐施工期三維滲控措施分析

杜萬軍， 李 青

(楊凌職業技術學院， 陜西 楊凌 712100)

里底水利樞紐施工期采取了上下游圍堰與明渠導流的方式，為確保樞紐區施工場地安全以及防排措施[1-2]的有效性，通常需要對整個樞紐區滲流場[3]分布情況和滲流量[4]分析計算。尤其對于大型水利工程而言，其綜合滲控系統[5-6]通常非常復雜，各措施之間聯系緊密。文中采用三維有限元法[7]，建立該樞紐施工期三維滲流模型[8-9]，模擬不同工況下樞紐區滲流場的分布情況以及不同防排措施對滲流場的相互影響和作用，明確了復雜防排系統在整個樞紐施工階段對滲流場的控制作用[10-11]，并通過計算滲流水量來布置集水井數量。對所設防排措施的合理性進行評價，保證樞紐區安全施工。

1 工程概況及研究方法

1.1 工程概況

里底水電站地處云南省瀾滄江上游干流，水庫正常蓄水位為1 818 m，死水位為1 814 m，校核洪水位為1 818.9 m，總庫容為0.745億m3，電站裝機容量420 MW。壩址地層基巖分布主要以二迭系上統下段(P2a)：墨綠色、深灰色斜長石絹云母石英千枚巖夾變質砂巖、微晶片巖為主。樞紐施工期上下游設置圍堰，上游圍堰堰頂高程1 800 m，下游圍堰堰頂高程1 778 m。施工期，上游水位1 799 m，下游水位1 777 m。為了有效降低導流明渠底部揚壓力，上游采用一道帷幕，下游采用封閉帷幕方案。灌漿廊道斷面尺寸為2.5 m×3.0 m(寬×高)，帷幕灌漿孔間距3 m，帷幕深度在20 m左右。施工階段需要通過滲流水量結果來布置集水井的數量。

1.2 研究方法

通常，綜合滲控措施數值模擬難點在于其空間結構的復雜性和排水措施的簡化。由于排水孔相對于整個樞紐區來說，可以忽略其尺寸效應，所以將其簡化成帶有節點的線條，再施加點荷載。排水孔上方廊道位置處于無壓流狀態，通過施加靜水頭來模擬實際廊道的排水情況，且上下游水位也采用靜水頭荷載，計算和實測結果比較吻合。

計算模型如圖1所示，向下游取7.5倍壩高，壩基向下取2倍壩高，左右岸分別取7倍和6倍壩高。計算模型由上向下包含河床覆蓋層、兩岸岸坡覆蓋層、左岸卸荷帶、強風化層、弱風化層以及完整基巖五個地層、防滲帷幕(包括明渠底部和上游壩址處)以及渠道襯砌、上下游圍堰、基坑等部分組成。在有限元軟件ADINA中建立三維施工期真實模型，模型大小為950 m ×892 m × 448.4 m(長×寬×高)，共剖分為105 242個結點。基巖單元138 430個，弱風化層單元8 943個，強風化層單元91 258個，卸荷層單元1 890個，左右岸覆蓋層單元16 811個，河谷覆蓋層單元29 132個，均采用六面體單元網格劃分。圍堰單元1 968個，明渠體單元27 517個，帷幕單元7 719個，均采用四面體單元網格劃分，共計245 455個單元，模型計算參數如表1所示。

明渠底部的排水廊道、排水孔和帷幕灌漿廊道位置示意如圖2，排水孔間距3 m。

2 結果分析與討論

2.1 典型斷面滲流場分布

通過有限元軟件進行三維滲流計算，得到不同工況下典型斷面位置滲流場分布，結果如下。為研究基坑和明渠位置滲流場分布，分別選取兩個典型位置斷面水頭等值線圖進行分析，基坑處典型斷面位置選在垂直于河流方向的基坑中部橫斷面位置，明渠處典型斷面位置選在順河向明渠中部縱斷面位置。為研究不同滲控措施在正常運行和失效情況下對樞紐區滲流場的影響結果，計算工況分為四種。

工況一：所有洞室已襯砌，排水廊道、排水孔正常運行，其它洞室襯砌，帷幕正常運行。

工況二：排水廊道和排水孔失效，帷幕正常運行。

工況三：排水廊道和排水孔正常運行，明渠帷幕失效。

工況四：排水廊道、排水孔和帷幕全部失效。

根據四種工況下浸潤線的分布結果：當排水孔、排水廊道和防滲帷幕均正常運行情況下，整個施工區域的浸潤線基本上處于施工面以下；防滲帷幕、明渠底部排水廊道和排水孔均對浸潤線降低作用顯著，其中帷幕延長了水流的滲流路徑，明渠底部排水廊道和排水孔對浸潤線降低幅度更大、效果更明顯。樞紐區整體水頭降低效果明顯，所以應該確保帷幕和排水系統均正常運行；在施工期間，上游圍堰截水使上游水位雍高(堰頂高程1 800 m)，圍堰附近滲流場變化明顯；而大壩建成后，上游水位將上升至正常蓄水位1 818 m，對大壩附近滲流場影響會更大，所以目前所設計的防滲帷幕及排水措施是合理且必要的。

施工期四個子工況下的滲流量匯總如表2所示：明渠上游和基坑的滲水量隨著排水、帷幕的失效呈現不斷增大的趨勢，綜合滲控措施均正常運行時對明渠上、下游和基坑滲流水量控制效果較好；排水廊道和排水孔對收集到排水廊道的滲流水量排泄作用相當重要，對滲入下游水量的控制作用沒有防滲帷幕顯著，帷幕失效導致滲入基坑水量增加了近2倍，綜合滲控措施均失效導致基坑滲水量增加3.9倍，很大程度上減小了進入基坑和導流明渠下游的滲水量。可根據滲流量計算結果，選擇和布置集水井的規格和數量。

表1 模型計算參數[12]

圖1 三維有限元計算模型 圖2 綜合滲控措施模型

圖3 基坑斷面水頭等值線圖(m) 圖4 明渠斷面水頭等值線圖(m)

圖5 基坑斷面水頭等值線圖(m) 圖6 明渠斷面水頭等值線圖(m)

圖7 基坑斷面水頭等值線圖(m) 圖8 明渠斷面水頭等值線圖(m)

圖9 基坑斷面水頭等值線圖(m) 圖10 明渠斷面水頭等值線圖(m)

表2 施工期不同工況流量匯總表

2.2 明渠底部揚壓力計算分析

從明渠上游向下游取模型底部節點計算其底板揚壓力分布情況，計算結果如圖11所示。

從圖11可以看出：防滲帷幕和排水系統布置越集中的區域，揚壓力降低幅度越大，尤其是下游200～300 m位置明渠底部揚壓力的下降非常顯著，最大降幅在10～15 m水頭左右；防滲帷幕與排水系統正常工作情況下，明渠底板揚壓力最低，其中任何一種滲控措施失效，都會增大底板揚壓力，最低增幅為9 m；對比四種不同計算工況，排水廊道和排水孔對揚壓力降低效果要比防滲帷幕作用明顯，說明該排水措施的有效性和可行性。為持續降低導流明渠底部揚壓力，可在初步設計排水孔3 m間距的基礎上，適當的減小至2 m間距并增加帷幕灌漿深度，進一步提高施工導流的安全穩定。

3 結 論

本文對樞紐施工期綜合滲控措施進行了合理的三維有限元數值計算，分析不同工況下防滲帷幕和排水措施對樞紐區滲流的影響效果，結論如下：

(1)顯然，排水孔和排水廊道加速了排泄滲流水量，對樞紐區浸潤線降低作用明顯，防滲帷幕延長了滲透水流路徑，有效地減少了施工導流過程中從上游到下游的滲水量，尤其是滲入基坑的水量，綜合滲控措施的聯合使用對樞紐區浸潤線和總水頭降低以及滲水量的控制起到了至關重要的作用。

(2)整個樞紐區在明渠施工導流過程中，設計綜合滲控措施能很大程度降低明渠底板揚壓力，排水廊道和排水孔對明渠底部揚壓力的影響效果比防滲帷幕較顯著一些，其中任何一種滲控措施失效都會大幅度增加明渠底部揚壓力。綜合滲控措施均正常運行，才能確保施工導流明渠的安全穩定。

(3)根據不同工況計算結果建議如下：參考計算滲水量來確定集水井合理規格和數量，從而滿足收集和排泄滲流水量要求，為施工導流提供依據。為提高滲控效果，可以適當縮小排水孔間距，同時按照施工要求適當增加帷幕灌漿深度，進一步滿足樞紐區施工導流要求。