大坳攔河壩下游連續(xù)墻對消能設(shè)施的影響分析

周孝平

（廣州市流溪河灌區(qū)總管理處，廣東 廣州510980）

大坳攔河壩下游連續(xù)墻對消能設(shè)施的影響分析

周孝平

（廣州市流溪河灌區(qū)總管理處，廣東 廣州510980）

大坳攔河壩為防止下游河床沖刷影響工程安全，在下游消能設(shè)施末端設(shè)置了地下連續(xù)墻。為研究連續(xù)墻對消能設(shè)施的影響，采用二維有限元剖面滲流程序計(jì)算了消力池連接段、消力池、護(hù)坦和海漫底板底的揚(yáng)壓力分布，分析了下游地下連續(xù)墻深度對消能防沖設(shè)施的穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，海漫末端的地下連續(xù)墻以懸掛式為宜。

二維有限元；連續(xù)墻；滲流；消能

1 工程概述

大坳攔河壩是廣州市流溪河灌區(qū)的渠首樞紐工程，始建于1958年8月，工程以灌溉為主，兼顧發(fā)電和供水。設(shè)計(jì)灌溉從化區(qū)、花都區(qū)和白云區(qū)41.4萬畝農(nóng)田。工程樞紐由攔河閘，左、右干渠進(jìn)水閘以及壩后電站組成，是廣州市重要水利工程。

大坳攔河壩工程等別為Ⅱ等，攔河壩總寬237.4m，工程按50年一遇洪水設(shè)計(jì)，最大過閘流量為2265 m3/s，主要建筑物級別2級，次要建筑物級別3級。

2006年對攔河閘壩消能設(shè)施進(jìn)行了改建，改建后閘室下游消能防沖設(shè)施總長72m，包括消力池、護(hù)坦、拋石海漫設(shè)施。在海漫末端處設(shè)置深度6.5m、墻厚0.8m的C25鋼筋砼地下連續(xù)墻。攔河壩加固剖面如圖1所示。

對于水利工程來說，地下滲流處理的基本原則是“上防下排”，即上游加強(qiáng)防滲，下游加強(qiáng)排水，盡可能減少大壩各部分的楊壓力。但對于大坳攔河壩，由于近十多年來，下游抽砂的影響，造成河床急劇下降，為了防止河床下降造成大壩消能設(shè)施的塌陷和沖刷，設(shè)計(jì)中考慮在大壩消能設(shè)施末端加設(shè)一道C25鋼筋砼地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻剖面如圖2所示。設(shè)置連續(xù)墻后，對水利工程的防沖安全起到了一定的作用，但是可能進(jìn)一步加大消能設(shè)施的基底揚(yáng)壓力。為了論證該連續(xù)墻對消能設(shè)施的影響，我們采用二維有限元剖面程序進(jìn)行了影響分析研究。

2 分析計(jì)算方法

2.1 剖面有限元計(jì)算方法及程序

計(jì)算分析采用二維有限元剖面滲流程序。該程序考慮了土體性質(zhì)變換的特點(diǎn)。計(jì)算時(shí)按照計(jì)算模型自動(dòng)劃分單元，計(jì)算中按變點(diǎn)、棄單元法自動(dòng)迭代確定浸潤線。

圖1 大坳攔河壩加固剖面圖

圖 2 地下連續(xù)墻剖面圖

2.2 排水孔的簡化模擬

計(jì)算時(shí)把結(jié)構(gòu)物的混凝土蓋板作為一層土層建立在有限元模型中，新設(shè)計(jì)在消力池連接段、消力池、護(hù)坦和海漫各個(gè)部分的混凝土蓋板上設(shè)置有排水孔，計(jì)算時(shí)把這些排水孔看成承壓非完整井群，按照單個(gè)井在井群中控制面積算出單井的出水量。按井的實(shí)際出水能力換算出由混凝土蓋板滲水時(shí)蓋板相應(yīng)的當(dāng)量滲透系數(shù)。

（a）排水孔完全通暢：將單個(gè)井在實(shí)際地質(zhì)條件下的出水能力換算為單個(gè)井對應(yīng)的蓋板板面積出水能力，求出蓋板板垂向當(dāng)量滲透系數(shù)，水平向的滲透系數(shù)仍取混凝土的滲透系數(shù)。

由于是多層地層，所以利用軸對稱有限元計(jì)算程序先計(jì)算出單井（承壓非完整井）的流量Q，然后計(jì)算蓋板的當(dāng)量滲透系數(shù)：

k— 排水孔完全通暢時(shí)混凝土蓋板的當(dāng)量滲透系數(shù)；

Q—有限元計(jì)算得到的一個(gè)井（排水孔）的出水量，即是面積為A的混凝土蓋板的滲水量；

A— 混凝土蓋板的出水面積，以井間距為邊長的正方形面積；

— 消力池、護(hù)坦、或者海漫的混凝土蓋板的厚度；

?H — 孔內(nèi)外的水頭差。

（b）排水孔部分淤堵：水閘運(yùn)行一段時(shí)間后，排水孔可能被泥沙淤堵，此時(shí)計(jì)算中仍按不完整井群考慮，但井內(nèi)增加淤堵物，淤堵物的滲透系數(shù)取反濾層的滲透系數(shù),取k′=4.0×10?2cm/s。

總降深：

?H——井內(nèi)外水頭差，與式1中 相同；

a—為排水孔面積；

按當(dāng)量滲透系數(shù)寫出達(dá)西定律：

3 計(jì)算有限元模型建立

3.1 計(jì)算區(qū)域、邊界條件及單元?jiǎng)澐?/p>

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告提供的土層信息，建立有限元模型時(shí)從上到下依次取為礫砂層、卵石層、圓礫層和砂巖全風(fēng)化土。閘室、閘后連接段、消力池連接段、消力池、護(hù)坦、海漫等各個(gè)結(jié)構(gòu)物按實(shí)際尺寸輸入計(jì)算程序，并根據(jù)實(shí)際情況給定滲透系數(shù)。

為了完整反映整個(gè)區(qū)域的滲流狀況，計(jì)算時(shí)上游延伸至閘室以上80m，下游延伸至閘室以下200m。計(jì)算時(shí)水頭邊界條件主要根據(jù)不同的工況分別給定，以計(jì)算出不同的水位時(shí)蓋板下的滲流場。

3.2 參數(shù)選取

計(jì)算時(shí)，地層參數(shù)及滲透系數(shù)采用廣州市水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院《大坳地質(zhì)報(bào)告》提供的數(shù)據(jù)：礫砂層：k＝4.0×10?3cm/s，卵石層：k＝6.0×10?2cm/s，圓礫：k＝ 1.0×10?2cm/s。

閘室、閘后連接段、消力池連接段、消力池、護(hù)坦、海漫等各個(gè)結(jié)構(gòu)物分兩種情況，沒有排水孔的結(jié)構(gòu)物，其滲透系數(shù)取混凝土的滲透系數(shù)k＝2.0×10?7cm/s；而對于消力池連接段、消力池、護(hù)坦和海漫設(shè)置有排水孔的結(jié)構(gòu)物，根據(jù)排水孔的出水量，把消力池、護(hù)坦和海漫的混凝土蓋板換算成具有一定透水性的土層，其垂直當(dāng)量滲透系數(shù)參見表1和表2。上游防滲墻滲透系數(shù)k＝2.0×10?6cm/s。

由（1）式可以計(jì)算出排水孔完全通暢時(shí)蓋板在不同的排水孔直徑及間距下的垂直當(dāng)量滲透系數(shù)如表1所示。

表1 垂直當(dāng)量滲透系數(shù)計(jì)算表

計(jì)算出淤堵時(shí)各段的垂直當(dāng)量滲透系數(shù)如2所示。

表2 淤堵時(shí)蓋板垂直當(dāng)量滲透系數(shù)計(jì)算表

4 地下連續(xù)墻對消能設(shè)施的影響計(jì)算分析

用二維有限元剖面滲流程序計(jì)算各工況下消力池連接段、消力池、護(hù)坦和海漫底板底的揚(yáng)壓力分布，對大壩下游地下連續(xù)墻深度對消力池各部分揚(yáng)壓力分布的影響進(jìn)行分析。

4.1 計(jì)算工況介紹

消力池連接段底部揚(yáng)壓力的計(jì)算采用剖面滲流程序來完成，上部水壓力按發(fā)生水躍后的水面線計(jì)算。工況采用大坳攔河壩的實(shí)際運(yùn)行時(shí)危險(xiǎn)工況來分析，具體描述參見表3。上游防滲墻的滲透系數(shù)取k＝2.0×10?4cm/s。消力池連接段、消力池、護(hù)坦和海漫底板的排水孔全部淤堵。

表3 工況描述

4.2 計(jì)算分析

根據(jù)上述工況，計(jì)算出各種工況下消力池連接段、消力池、護(hù)坦和海漫底板底的揚(yáng)壓力分布。

4.2.1 工況1計(jì)算

（1）工況：上游水位24.69m，下游21.9m，流量Q=784.69m3/s。各段排水孔均淤堵，防滲墻將下方透水層截死。計(jì)算得到整個(gè)剖面的滲流場以及消力池連接段、消力池和護(hù)坦底的水頭如圖3所示。

（2）根據(jù)程序計(jì)算的結(jié)果，得到一些關(guān)鍵點(diǎn)的滲壓值（程序計(jì)算時(shí)以水閘中心線為坐標(biāo)原點(diǎn)，向下游為x坐標(biāo)的正方向）?，F(xiàn)將工況1程序計(jì)算結(jié)果中的一些關(guān)鍵點(diǎn)的滲壓值列于表4中。

4.2.2 工況2計(jì)算

（1）工況：上游水位24.69m，下游21.9m，流量Q=784.69m3/s。各段排水孔均淤堵，防滲墻為現(xiàn)在的實(shí)際深度。計(jì)算得到整個(gè)剖面的滲流場以及消力池連接段、消力池和護(hù)坦底的水頭如圖4所示。

圖3 水閘剖面滲流場及消力池連接段、消力池、護(hù)坦及海漫底部水頭

表4 工況1各關(guān)鍵點(diǎn)滲壓值

（2）根據(jù)程序計(jì)算的結(jié)果，得到一些關(guān)鍵點(diǎn)的滲壓值（程序計(jì)算時(shí)以水閘中心線為坐標(biāo)原點(diǎn)，向下游為x坐標(biāo)的正方向）。現(xiàn)將工況1程序計(jì)算結(jié)果中的一些關(guān)鍵點(diǎn)的滲壓值列于表5中。

4.2.3 消力池、護(hù)坦和海漫受力計(jì)算

各工況下消力池連接段、消力池、護(hù)坦和海漫底板底揚(yáng)壓力水頭分布圖如圖5所示。消力池、護(hù)坦和海漫受力計(jì)算見表6。

由此表可知，在工況1下，消力池、護(hù)坦和海漫將會破壞，而在工況2下，消力池、護(hù)坦和海漫是安全的。即在上游防滲墻破損和消力池連接段、消力池、護(hù)坦和海漫底板的排水孔全部淤堵的最不利情況下，目前的海漫末端的懸掛式地下連續(xù)墻并不影響工程安全。

表5 工況2各關(guān)鍵點(diǎn)滲壓值

表6 消力池、護(hù)坦和海漫受力計(jì)算表

5 結(jié)論

1）大壩下游加建地下連續(xù)墻作為防止河床沖刷坑向工程區(qū)域發(fā)展起到很好的作用，能夠有效

圖4 水閘剖面滲流場及消力池連接段、消力池、護(hù)坦及海漫底部水頭

保障工程安全。但地下連續(xù)墻截滲作用明顯，在工程下游設(shè)置，對工程的排水起到不利影響，在設(shè)計(jì)決策中應(yīng)該進(jìn)行認(rèn)真分析論證。

2）采用二維有限元滲流模型，能夠非常直觀地計(jì)算出工程各部位的受力情況。通過實(shí)際危險(xiǎn)工況計(jì)算分析，大坳攔河壩懸掛式地下連續(xù)墻對工程安全影響較小，但采用截至基巖的防滲墻要慎用。

3）本次分析采用了兩種工況計(jì)算，未計(jì)算不設(shè)防滲墻工況，可以通過進(jìn)一步研究，進(jìn)行比較分析，進(jìn)而論述下游防滲墻設(shè)置的是否合理。

[1] 曹洪.廣州市流溪河大坳攔河壩滲流分析報(bào)告[R].2013.

[2] 胡海英.廣州市流溪河大坳攔河壩安全鑒定綜合報(bào)告[R].2010.

[3] 金峰，梁通.揚(yáng)壓力問題存在的分歧及最新進(jìn)展[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2009，（6）.

[4] 申旋成.閘后消力池斜坡連接段滲流和水躍共同作用的分析和對策[D].華南理工大學(xué)，2014.

[5] 鄭敏.深厚砂基水閘消能防沖設(shè)施抗浮分析研究[D].華南理工大學(xué)，2010.

Impact Analysis of Downstream Diaphragm Wall on Energy Dissipator in Daao Gate Dam

ZHOU Xiao-ping
(Guangzhou General Administration Office of Liuxihe Irrigation Area, Guangzhou, 510980, China)

For the safety of the Daao gate dam, a diaphragm wall was constructed at the end of the energy dissipator to prevent downstream river bed scouring. To study the effect of diaphragm wall on energy dissipator, a seepage program based on 2-D finite element method is used to compute uplift forces at the bottom of the ramp connecting section,plunge pool, protection-apron and pitching, from which the stability of energy dissipator is analyzed in variety depth of the diaphragm wall. It can be shown from engineering computing that the suspended diaphragm wall at the end of pitching is advised.

2-D finite element method; diaphragm wall; seepage; energy dissipater

TV223.4

A

1672-2841（2016）01-0017-04

2016-01-20

周孝平，男，工程師，碩士，主要從事水閘工程管理工作。