基于有限元的某水電站壩肩防滲墻優(yōu)化設(shè)計研究

姚鋒杰

(水利部山西水利水電勘測設(shè)計研究院,山西太原030024)

0 引 言

在水利工程中,滲流廣泛存在于堤壩之中。堤壩滲漏會導(dǎo)致管涌,引起滑坡甚至潰壩。目前國內(nèi)外對于滲流破壞的處理措施一般是改善壩體材料抵抗?jié)B透破壞的能力,或者降低滲流出口比降和壩身浸潤線位置。滲流控制措施原則[1～4]是,“前鋪、截、堵”是在臨水側(cè)采取防滲鋪蓋、防滲斜墻和垂直防滲幕(墻)等防(截)滲措施,達(dá)到延長滲徑,降低水力坡降的目的;“后導(dǎo)、減、排”即在背水側(cè)采取反濾體、導(dǎo)滲溝、排水褥墊、排水減壓溝、減壓井等導(dǎo)滲和排水減壓措施,以降低壩后壓力水頭及水力坡降,防止?jié)B透變形破壞;“中壓、截”即采用蓋重措施處理,如吹填法和壓實填筑法,或者在堤體內(nèi)設(shè)置防滲墻或者帷幕[5～13]。上述措施在實際選用時應(yīng)因地制宜、搭配綜合使用,以滿足工程防滲要求。

滲流過程較為復(fù)雜,一般表現(xiàn)為滲透特性和邊界條件的復(fù)雜性,如滲透的各向異性和非均勻性,排水孔邊界及自由邊界等[1～4]。有關(guān)該問題的計算方法大致可以分為兩類:一類是解析解;一類是數(shù)值解,其中有限元方法較為常見。本文以某水電站壩肩的滲流問題為研究對象,選擇典型工程地質(zhì)斷面,建立有限元計算模型,計算其滲流場。根據(jù)不同工況滲流場,評價壩肩防滲處理效果和防滲墻體的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 工程概況及擬采取防滲措施

1.1 工程地質(zhì)條件

右岸壩基地形呈階梯狀向岸內(nèi)抬升,Ⅰ級臺面高程1 778 m～1 780m,寬65 m左右,其上有大河家小水電引水渠通過;Ⅱ級階地臺面前緣高程1 791 m。地表均為第四系全新統(tǒng)(Q4)階地堆積物,下伏第三系紅層。

地下水位埋藏于砂卵礫石層中:Ⅰ級階地區(qū)地下水埋深5.7 m左右,高程1 772.6 m左右;Ⅱ級階地區(qū)地下水位埋深16.0 m左右,分布高程1 775.5 m左右。當(dāng)正常蓄水位1 783 m時,飽水層厚度相應(yīng)增大。向岸里為Ⅲ級階地砂卵礫層,結(jié)構(gòu)松散,強透水,有繞壩滲漏問題。

左岸壩基部位覆蓋層厚13 m～21 m,組成物質(zhì)為沖、洪積砂卵礫石及含碎石土,上覆砂壤土層厚2 m～5 m,根據(jù)試驗成果和地層特點,壩基土物質(zhì)組成和工程特性變化較大,需采取防滲處理。

當(dāng)正常蓄水位1 783 m時,飽水層厚度相應(yīng)增大。向岸里為Ⅲ級階地砂卵礫層,結(jié)構(gòu)松散,強透水,有繞壩滲漏問題。因此兩岸進(jìn)行防滲處理。防滲處理措施為高壓旋噴防滲墻。

1.2 防滲措施及初步設(shè)計

擋水建筑物布置從左至右有:左副壩(土工膜心墻砂礫石壩)、安裝間、河灘廠房、3孔泄洪閘及右擋水壩(土工膜心墻砂礫石壩)。擋水壩為復(fù)合土工膜防滲心墻土砂礫石壩;壩體上游壩坡為1∶2.5,下游壩坡為1∶1.6,壩頂寬8.0 m,最大壩高25.5 m,壩基最大寬度111.17 m。土壩在壩體中心線上布置一道防滲復(fù)合土工膜并與設(shè)置在壩基處的混凝土防滲墻相接。防滲墻伸入基巖1.5 m,防滲墻向兩岸延伸暫按100 m考慮。

正常蓄水位1 783.0 m、死水位1 782.0 m、正常蓄水位時下游水位1 771.04 m、4臺機滿發(fā)時下游水位1 773.17 m、洪積塊砂卵礫石層允許滲透坡降0.12～0.15、沖洪積砂卵礫石層允許滲透坡降0.15～0.18。

2 計算模型及計算方案設(shè)計

2.1 計算模型

滲流計算均采用笛卡兒直角坐標(biāo)系,以橫河向為x軸,指向左岸為正向;以順河向為z軸,指向下游為正向;以垂直向為 y軸,垂直向上為正。計算坐標(biāo)原點選取在工程坐標(biāo)(0,1742,0)處。

計算區(qū)域:上游邊界為壩軸線以上360 m,左岸邊界為左岸壩肩以左200 m,右岸邊界為右岸壩肩以右200 m,下游邊界為壩軸線以下334.5 m,基坑邊界為壩基以下50 m(至高程1 692 m)。在此范圍內(nèi)進(jìn)行三維數(shù)值計算模擬,圍堰滲流計算模型與坐標(biāo)系如圖1所示。

圖1 滲流計算模型

上、下游圍堰計算區(qū)域內(nèi)共涉及到8種材料,在模型中分別用不同的顏色表示,它們分別為:防滲墻,帷幕灌漿,覆蓋層Ⅰ,覆蓋層Ⅱ,基巖,廠房壩段,左右副壩壩體,復(fù)合防滲體。計算模型材料統(tǒng)計列于表1。

表1 滲流與穩(wěn)定計算參數(shù)

2.2 邊界條件及計算工況

2.2.1 邊界條件

計算中采用八面體等參數(shù)單元網(wǎng)格,為保證計算的精度,網(wǎng)格的長寬比控制在2∶1之內(nèi)。對防滲墻,復(fù)合防滲體等關(guān)鍵區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了加密,防滲墻網(wǎng)格單元控制在0.4 m×0.6 m以內(nèi),復(fù)合防滲體網(wǎng)格單元控制在0.3 m×0.4 m以內(nèi)。對其它區(qū)域的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行了適當(dāng)?shù)姆糯?。整個模型共劃分出節(jié)點數(shù)146 492個,單元數(shù)為134 092個。

河道內(nèi)全部為指定水頭邊界條件,其中上游水頭高度正常蓄水位1 783.0 m、死水位1 782.0 m,下游水頭高度 1 771.04 m(4臺機滿發(fā)時下游水位1 773.17 m)。

模型底部為不透水邊界。

根據(jù)兩岸山體與階地的排滲條件決定兩岸山體與階地的滲透邊界條件。

若在平水期兩岸水位高于河水位,滲流邊界條件為由兩岸向河床補給;蓄水后,滲流邊界條件為由河床向兩岸補給。由于水位相差不大,考慮到模型范圍較大,計算模型兩岸范圍內(nèi)的水力梯度變化范圍不大的事實,計算中模型的左右兩側(cè)設(shè)為不透水邊界。

2.2.2 計算工況

根據(jù)該水電站工程上壩址上壩線工況,大壩右岸為覆蓋層,右岸防滲帷幕與壩軸線平行,滲透水流自上游河床先繞滲到防滲帷幕右側(cè)后,再滲到下游河床,滲流路徑為防滲帷幕的兩倍長度;而大壩左岸防滲帷幕與河床水流方向平行,滲透水流自上游河床順防滲帷幕左側(cè)直接滲到下游河床,滲流路徑與防滲帷幕長度相當(dāng)。為使防滲效果達(dá)到最佳而又經(jīng)濟(jì)投入最小,經(jīng)過仔細(xì)研究,提出了按左右岸單位面積的最大滲流量(或滲流速度)相等的原則來確定左右岸防滲帷幕的長度。按此方法,建議左岸防滲帷幕的長度始終設(shè)為右岸防滲帷幕長度的兩倍。計算中共分以下工況進(jìn)行:

壩前正常蓄水位1 783.0 m,下游正常蓄水位水頭高度1 771.04 m,工況1:右岸壩肩防滲墻長度50 m,左岸壩肩防滲墻長度加倍;工況2:右岸壩肩防滲墻長度75 m,左岸壩肩防滲墻長度加倍;工況3:右岸壩肩防滲墻長度100 m,左岸壩肩防滲墻長度加倍;工況4:右岸壩肩防滲墻長度125 m,左岸壩肩防滲墻長度加倍;工況5:右岸壩肩防滲墻長度150 m,左岸壩肩防滲墻長度加倍;工況6:右岸壩肩防滲墻長度100 m,左岸壩肩防滲墻長度125 m;工況7:右岸壩肩防滲墻長度100 m,左岸壩肩防滲墻長度150 m;工況8:右岸壩肩防滲墻長度100 m,左岸壩肩防滲墻長度175 m。

所有計算均在Seep3D下進(jìn)行,計算采用穩(wěn)定滲流理論。

3 計算結(jié)果分析

3.1 右壩肩防滲墻優(yōu)化長度分析

根據(jù)滲流計算結(jié)果,按工況分別整理了總水頭云圖及關(guān)鍵部位的滲流特征值曲線。限于篇幅在此僅列出右岸壩肩50 m防滲墻,左岸100 m防滲墻工況的總水頭等值線和1 760 m高程水頭等值線圖,詳見圖2(a)～2(b)。

圖2 滲流結(jié)果

從圖2(a)～2(b)可知,左側(cè)由于防滲墻較長,所以滲透路徑相對右岸長,在圖中表現(xiàn)為水頭等值線和云圖密集;壩體處等值線密集,往兩側(cè)延出,彎向下游,說明壩體防滲措施得力,防滲墻兩側(cè)頭部等值線最密集,該處最容易發(fā)生流土或者管涌破壞,說明該部位水力坡降必須滿足設(shè)計允許值,否則還應(yīng)繼續(xù)延伸防滲墻,直到墻體和自然坡體材料的水力坡降均滿足允許值。

從圖3(a)可知,壩軸線以下河床的滲漏量＜左岸山體繞壩滲流量＜右岸山體繞壩滲流量,隨著兩側(cè)防滲墻的延伸,滲漏量單調(diào)遞減,在右岸防滲墻長度100 m以后,滲漏量遞減幅度減小;從圖3(b)可知,右岸滲流出口、左岸滲流出口、右岸防滲墻位置的水力梯度都是隨著防滲墻長度的增加單調(diào)遞減的,左岸防滲墻位置的水力梯度則是隨著防滲墻長度的增加單調(diào)遞增的,說明隨著右岸防滲特性的改善,左岸防滲壓力增加。左右岸防滲墻長度需要尋找一個平衡點。從圖3(c)～圖3(d)可知,滲流速度是隨著防滲墻長度的增加單調(diào)遞減的,防滲墻端部的水頭值也是隨著防滲墻的長度遞減的。

綜合以上分析,再結(jié)合覆蓋層的允許水力坡降0.12～0.15的要求,則右岸防滲墻長度在100 m后可滿足要求,該工況下防滲墻的允許水力坡降也滿足要求。

圖3 各計算工況堰體最高水頭高程、監(jiān)測流量、出滲口流速、坡降曲線

3.2 左壩肩防滲墻優(yōu)化長度分析

在確定了右岸防滲墻的長度后,需要對左岸的防滲墻長度也進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,在此基礎(chǔ)上,設(shè)計了左岸125m、150m、175 m長度防滲墻的滲流分析,結(jié)果整理成圖4。

圖4 各計算工況堰體最高水頭高程、監(jiān)測流量、出滲口流速、坡降曲線

從圖4(a)可知,壩軸線以下河床的滲漏量＜左岸山體繞壩滲流量＜右岸山體繞壩滲流量,隨著兩側(cè)防滲墻的延伸,滲漏量單調(diào)遞減;從圖4(b)可知,右岸滲流出口、左岸滲流出口、右岸防滲墻位置的水力梯度都是隨著防滲墻長度的增加單調(diào)遞減的,左岸防滲墻位置的水力梯度則是隨著防滲墻長度的增加單調(diào)遞增的。

從圖4(c)～圖4(d)可知,滲流速度是隨著防滲墻長度的增加單調(diào)遞減的,防滲墻端部的水頭值也是隨著防滲墻的長度遞減的。整體規(guī)律與右岸的類似。

綜合以上分析,再結(jié)合覆蓋層的允許水力坡降0.12～0.15的要求,則左岸防滲墻長度在150 m后可滿足要求,該工況下防滲墻的允許水力坡降也滿足要求。

4 結(jié)論與建議

根據(jù)設(shè)計的右岸防滲墻長度50 m、75 m、100 m、125 m、150 m,左岸防滲墻長度是其兩倍等5種計算工況滲流場分析,發(fā)現(xiàn)不同部位的滲漏量、滲流速度和水頭值均隨著防滲墻的延伸單調(diào)遞減,右岸防滲墻長度100 m時,滿足防滲設(shè)計要求。

在右岸防滲墻長度100 m時,模擬了左岸防滲墻長度125 m、150 m、175 m等3種計算工況的滲流場分析,發(fā)現(xiàn)不同部位的滲漏量、滲流速度和水頭值均隨著防滲墻的延伸單調(diào)遞減,左岸防滲墻長度150 m時,可滿足防滲設(shè)計要求。

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