某面板堆石壩施工及運行期滲流特性仿真研究

吳俊衡,馬富強,李海波

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司,貴陽 550002)

0 引 言

滲流穩定及控制是混凝土面板堆石壩安全建設和運行的核心問題之一[1],其上游方向的混凝土面板是作為面板堆石壩的主要防滲結構,承受較大的水頭落差,對于壩體滲流的安全穩定性至關重要。但在工程運行期,常存在一些滲流問題[2-3]。水庫水位驟升或驟降時,壩體內滲流場短時間內會發生較大變化,影響壩體尤其是上游迎水坡的穩定性,可能引起安全系數下降[4-5]。同樣,在不同水位下,壩體滲流場的水頭分布、浸潤線和滲透坡降會有所不同,需要分析總結在正常和極端工況下壩體滲流場的特性和規律,才能為壩體的滲流穩定提供全面的依據和參考。

目前,國內許多專家都論證了混凝土面板對于壩體防滲的重要作用。在面板完好的條件下,面板堆石壩壩體的滲透穩定性很容易滿足要求。但在面板止水破損和面板失效的不利條件下,過渡區的滲流控制作用對大壩的滲透穩定性具有關鍵意義[6]。張鳳財等[7]探討了面板出現裂縫、墊層滲透性等對壩區滲流場的影響,論證了面板對于抗滲穩定的必要性,但未計算水位變化時,壩體內滲流場的變化情況。方致遠等[8]研究了水位驟降下面板堆石壩上游蓋重區的穩定性,但對于面板及墊層滲流的影響仍需要進一步探討。宋建慶[9]論證了極端工況下面板堆石壩的滲流穩定性,但缺少在施工期無面板防滲而改變的滲流場特性分析,這類分析同樣對大壩滲流穩定有重要參考作用[10]。

本文采用ABAQUS軟件進行三維有限元建模分析[11-13],模擬正常蓄水和死水位時壩址區的穩定滲流場,計算滲透坡降以及通過壩體和壩基巖體的滲透流量,對比分析結果后,對大壩防滲體系提出修改或優化建議。同時,進行無面板情況下壩體擋水時的穩定滲流分析。并根據得出的壩體及兩岸壩肩巖體內的地下水位、滲透坡降以及通過壩體和壩基巖體的滲透流量,重點分析墊層內滲流性狀[14-15]與滲透坡降變化,為大壩的施工和設計提供滲流安全穩定分析,為今后類似工程滲流控制提供參考。

1 計算方法及原理

將壩區滲流場視為符合達西定律的非均質各向異性不可壓縮土體的三維空間穩定滲流場,三維穩定達西滲流場的滲流支配方程[16]為:

(1)

邊界條件理論如下:

h|Γ1=h1

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:h1、h2為已知水頭函數;ni為滲流邊界面外法線向余弦,i=1,2,3;Γ1=BG、CD,為已知水頭的第一類滲流邊界條件;Γ2=GA、AF、FE、BC,為已知滲流量的第二類滲流邊界條件;Γ3=GE,為位于滲流域中滲流實區和虛區之間的滲流自由面,事先并不知道其確切位置,呈現邊界非線性特性;Γ4=ED,為滲流逸出面,因事先不知道滲流逸出點E的具體位置,事先也不能知道整個逸出面的具體大小,是一個邊界非線性滲流問題,需迭代求解;qn為邊界法向流量,流出為正。

滲流計算所用邊界示意圖見圖1。

圖1 滲流計算所用邊界示意圖

1.1 滲透比降的計算方法

在求得整個滲流場的結點水頭后,對單元內任一點的水頭對整體坐標的偏導來進行求解[17],公式如下:

(6)

式(6)可以將單元內任何一點的滲透坡降進行求解,但由于在單元體內,單元的形函數是一階連續函數,并且在結點上該函數并不是連續的。所以,通過對單元的結點運用內插法矩陣來求得其滲透比降值。

1.2 滲透流量計算方法

通過某斷面S的滲流量可按下式計算:

(7)

式中:S為過流斷面;n為斷面正法線單位向量;kn為n方向的滲透系數;h為滲流場水頭。

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對于任意8結點六面體等參數單元,選擇中斷面作為過流斷面S,并將S投影到YOZ、ZOX、XOY平面上,分別記為Sx、Sy、Sz,則通過單元中斷面的滲流量為:

(8)

如果需要計算通過某一斷面的滲流量,則取該斷面上的一排單元,使各單元的某一中斷面組成該計算流量斷面。累加這些單元相應中斷面的滲流量,即可得到所求的該計算斷面的滲流量。

2 計算模型及參數

2.1 計算模型

本文選取我國西南某面板堆石壩為實例,對其施工及運行期的應力及變形進行計算分析。該工程大壩建筑級別為2級,壩頂高程1 059.0m,壩頂寬10.0m,壩頂長度361.58m。河床壩段建基面高程978.0m,最大壩高81.0m,最大壩底寬233.12m。大壩上游壩坡1∶1.407、下游壩坡1∶1.4。壩體采用變厚的鋼筋混凝土面板防滲,面板頂部高程1 057.0m。

混凝土面板堆石壩上游迎水面設置鋼筋混凝土面板,它是壩體的主要防滲結構。根據黃家灣面板堆石壩斷面圖,繪制三維計算模型,見圖2、圖3。本次計算三維模型網格剖分時,主要采用8結點六面體單元,三維模型共有單元總數72 294個,節點總數79 220個。

圖2 大壩及地基三維計算網格圖

圖3 壩體及帷幕灌漿三維計算網格圖

2.2 計算工況

為了分析在較大水位差下,面板對于防滲效果的對比以及有無面板防滲的滲流場變化情況,選取4類計算工況,設置見表1。

表1 滲流計算工況

2.3 壩體計算參數

計算中,所采用的壩體材料參數依據大壩填筑料檢測結果選取,壩基巖體各層的滲透系數根據實際工程地質條件并參考類似工程計算參數確定,見表2、表3。

表2 壩基巖體各分層滲透系數

表3 壩體各料區滲透系數

3 計算結果及分析

3.1 基本運行工況

在基本運行條件下,視壩體各部分工作正常,對比正常水位和死水位蓄水條件下,壩區各部分滲流特性。經過有限元分析各斷面孔壓和滲流量后,選取壩體中部y=125m(壩右0+125)為典型斷面進行定性分析,該斷面反映了孔壓和水頭分布規律。見圖4-圖7。

圖4 工況1孔壓分布圖

圖5 工況1總水頭分布圖

圖6 工況2斷面孔壓分布圖

對壩體及帷幕各材料分區的滲透特性進行分析和仿真模擬,計算得到數據見表4-表6。

表4 壩體及帷幕各材料分區的最大平均滲透坡降表

表5 工況1、工況2計算域內各部分滲透流量 (單位:L/s)

表6 面板下游墊層內浸潤面的最高位置及防滲系統效果

基本運行工況計算結果分析如下:

1)由圖4-圖7典型斷面的分布圖可以看出,各工況下壩址區滲流場分布規律明確,庫水由水庫通過壩體、壩基防滲帷幕和兩岸防滲帷幕以及山體滲向下游?；炷撩姘逑掠螇误w內浸潤面平緩,浸潤面在混凝土面板上下游形成突降。表明面板和防滲帷幕等組成的防滲系統的阻滲作用是顯著的。

2)滲透坡降方面。壩體混凝土面板、左右壩肩和壩基防滲帷幕的滲透坡降較大,但均小于材料的允許滲透坡降,壩體其他料區(墊層和主、次堆石區等)的滲透坡降均較小。壩體和壩基各料區的滲透坡降均小于允許滲透坡降,現設計的滲控措施滿足滲流穩定要求。

3)水頭分布方面。正常蓄水位下,河床最大斷面中面板下墊層內最高水位989.44m,削弱水頭65.56m,削弱水頭86.03%,面板起到較好的防滲作用。

4)壩區滲流量方面。正常蓄水情況下,總滲流量8.703 L/s;死水位工況下,總滲流量6.950L/s。從正常蓄水位到死水位,總水頭減小20.00m,滲透流量減小20.14%。從滲漏量來看,混凝土面板與防滲帷幕組成的防滲體系的防滲效果較好。

5)下游出逸的滲流穩定性方面。蓄水后,大壩下游地下水位一般較低,河床段下游出逸點高程很低,較下游尾水位略高,基本是下游河床灘地自由滲水。在正常蓄水位(工況1)下,出逸點高程985.65m;在死水位(工況2)下,出逸點高程984.54m。表明下游出逸處滲流是穩定的。

綜上所述,在正常蓄水位工況下和死水位工況下的壩體和壩基可滿足滲透穩定性要求,混凝土面板和帷幕灌漿防滲效果好,左右岸和壩基、壩體滲流安全穩定,面板壩防滲設計方案可以滿足樞紐區防滲要求,在技術上是合理的。

3.2 極端工況分析

在施工期,壩體面板未澆筑到蓄水標準,須分析無面板防滲效果。同時考慮極端情況,在運行期面板破損無防滲效果后典型斷面y=125m(壩右0+125)滲流場變化見圖8-圖11。

圖8 工況3孔壓分布圖

圖9 工況3總水頭分布圖

圖10 工況4孔壓分布圖

圖11 工況4總水頭分布圖

對壩體及帷幕各材料分區的滲透特性進行分析和仿真模擬,計算得到數據見表7-表8。

表7 極端工況下計算域內各部分滲透流量 (單位:L/s)

表8 壩體及帷幕各材料分區的最大平均滲透坡降表

從計算結果可以看出:

1)由圖8-圖11可以看出,工況3下,面板未施工,墊層直接擋水,由于墊層滲透系數較大,該種情況下,通過壩區的流量均較大。其中,工況3總流量606.788 L/s ,工況4總流量418.104 L/s,庫水可直接通過墊層、過渡層滲入壩體堆石區,堆石區內浸潤面抬高,墊層內最低水位1 014.11m。盡管布置有防滲帷幕,但在壩體上游側沒有形成一個整體的截滲體,因此地下水繞過防滲帷幕流向壩體的下游側,下游出逸點位置較高,最高出逸高程1 011.98m,比壩體竣工正常蓄水位情況下的壩體浸潤面抬升約32.45m。

2)滲透坡降方面。由于壩體迎水面的墊層料成為主要防滲體,墊層的滲透坡降較大,最大可達7.80,超過墊層的允許滲透坡降4.0(表5)。在度汛前,應對墊層迎水面進行必要的防護;度汛后,應對墊層及乳化瀝青層的質量進行檢查,保證其未受到破壞。工況4條件下,度汛水位1 030.87m,經計算,滲透穩定可滿足要求。

3)墊層后的過渡區以及堆石區的壩體主堆石區的滲透坡降分別為0.193、0.049,比壩體竣工正常蓄水位情況下的滲透坡降均明顯增大。

4 結 論

1)混凝土面板和帷幕灌漿構建的防滲體系,對于左右岸和壩基、壩體的滲流安全穩定十分重要。對比缺失面板工況,其顯著降低了浸潤面在壩體內高度,降低逸出點高程,降低了壩體內部孔隙水壓力,有效防止了滲透破壞。

2)從正常蓄水位到死水位,總水頭減小20.00m,滲透流量減小20.14%。以工況1對比工況3,后者滲透流量成倍增加,總計流量可達606.788 L/s。因此,混凝土面板與防滲帷幕組成的防滲體系防滲效果明顯。

3)當面板缺失,墊層直接擋水,由于壩體迎水面的墊層料成為主要防滲體,墊層后的過渡區以及堆石區的壩體主堆石區的滲透坡降,均比正常運行狀態大。其中,工況3條件下,墊層最大可達10.22,超過墊層的允許滲透坡降4.0,不滿足滲透穩定要求。因此,在面板未施工之前度汛,應對墊層迎水面進行必要的防護;度汛后,應對墊層質量進行檢查。