深厚覆蓋層地基下防滲墻深度對壩基滲流影響分析

李曉丹

(黑龍江省引嫩工程管理處，黑龍江 大慶 163000)

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深厚覆蓋層地基下防滲墻深度對壩基滲流影響分析

李曉丹

(黑龍江省引嫩工程管理處，黑龍江 大慶 163000)

文章結(jié)合新疆下坂地水利樞紐工程，采用三維有限元數(shù)值模擬分析方法，研究深厚覆蓋層地基下防滲墻與防滲帷幕的相互作用對壩基滲流的影響，研究出深厚覆蓋層壩基中防滲墻存在最適宜的深度，達(dá)到最佳防滲效果，同時本次的研究對此類工程在施工工藝和防滲設(shè)計上的具有一定的參考價值。

深厚覆蓋層；防滲墻；壩基滲流；建模；影響

0　前　言

河床深厚覆蓋層是指在河床中厚度>30m的松散堆積物，屬于不良地質(zhì)條件。地質(zhì)特點(diǎn)：巖性單一，結(jié)構(gòu)松散，在各個方向上都有很大變化，河床深厚覆蓋層不僅嚴(yán)重影響工程壩址、壩型的選擇，也嚴(yán)重制約了防滲措施設(shè)計。由于此地基的特殊構(gòu)造，故防滲設(shè)計是非常緊要的問題。目前，國內(nèi)外在此種地基上的防滲措施主要采用墻幕結(jié)合的防滲形式[1]。它不考慮深厚覆蓋層地層在灌漿過程中防滲墻深度、巖基鉆孔難度、中上部灌漿質(zhì)量較差對工程防滲帶來的影響。而是在透水層壩基中將墻幕結(jié)合起來，形成一種共同作用的防滲體系。從工程防滲效果和投資方面分析，此防滲體系的構(gòu)建既安全可行又經(jīng)濟(jì)合理。

文章基于大型通用有限元軟件ADINA，ADINA是基于有限元分析的大型通用仿真平臺。在深厚覆蓋層壩基上選取不同深度的防滲墻，進(jìn)行滲流模擬試驗分析，進(jìn)而選擇它的最優(yōu)深度。其廣泛運(yùn)用到水利行業(yè)的壩工研究中。在ADINA軟件的溫度場計算模塊中，定義有滲流材料的參數(shù)選擇，可以準(zhǔn)確的進(jìn)行滲流場模擬計算，得出符合實際的各項參數(shù)。

1　工程概況

下坂地水利樞紐位于新疆喀什地區(qū)塔什庫爾干縣下坂地鄉(xiāng)附近，為Ⅱ等大(2)型工程。主要功能是以存蓄水為主、發(fā)電為輔。工程各項指標(biāo)：攔河壩最大壩高78 m，正常蓄水位高程2960 m，電站總裝機(jī)容量150 MW，總庫容8.6 億 m3，年發(fā)電量4.7 億 kW·h[2]。

下坂地的河床覆蓋層主要是由壩址下游的古冰川的移動、“堰塞湖”的潰決等多種誘因形成的。自上而下可分為4大類型：坡積層、沖洪積層、砂層透鏡體、冰磧層，滲透性高，最大厚度148 m，砂層厚度為28～30m，沖洪積層和坡積層屬于強(qiáng)透水層[3]。根據(jù)壩基覆蓋層的實際情況，結(jié)合此類工程實例防滲設(shè)計常采用的形式，擬定不同深度的垂直防滲進(jìn)行滲流分析計算，在滿足滲漏量及滲透穩(wěn)定的前提下，通過對防滲效果、施工難度、工程造價等的綜合比較，薦選出最優(yōu)方案。大壩壩基剖面如圖1所示。

圖1　下坂地壩基覆蓋層地質(zhì)剖面圖

2　有限元數(shù)值模型

2.1計算工況

2.1.1基本資料

1)水庫正常蓄水位為2960m。

2)壩頂高程：2966m。

3)上游壩坡：1∶2.2。

4)下游壩坡：1∶2.0。

5)混凝土防滲墻厚度：1.0m。

6)防滲墻的初擬深度為：80m，85m，90m。

2.1.2計算假定

1)擬定大壩為均質(zhì)壩，護(hù)坡對壩基的滲透性忽略不計，由壩體、反濾層、排水棱體、河床地基組成，壩基各種材料的滲透性質(zhì)定義為各向同性，即kx=ky。

2)假設(shè)壩基巖不透水，河床斷面沿壩體橫軸線方向。假定計算結(jié)果中滲透量不包括繞壩滲透和壩基巖滲透。

3)由于壩體泄洪洞下游水位偏低，結(jié)合資料取下游水位2888m，壩體蓄水后水位會有上升。從防滲體系構(gòu)建來看，即使地下水位不上升，壩基的水力坡降和滲透量都比水位上升后大，所以假定地下水位抬高后壩體是安全的[4]。

2.2模型建立

模型區(qū)域的建立：設(shè)計壩體橫斷面長540 m，壩高78 m，從壩體上游排水棱體向上延伸125m，壩體下游面壩腳處向下延伸125m，從壩基向壩基巖延伸160m。y 方向以壩體縱剖面與壩基交點(diǎn)為原點(diǎn)，以指向上游為正，指向下游為負(fù)；z方向以鉛直向上為正，壩基上取正78m，壩基下同理，模型區(qū)域大小為540 m×238 m。本模型采用平面四邊形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，計算結(jié)果能與實際相符。滲流計算的單元網(wǎng)格劃分為 272，節(jié)點(diǎn)數(shù)為7801個[5]。

選取中間垂直壩軸線方向的代表斷面進(jìn)行計算，計算網(wǎng)格如圖2所示。

圖2　斷面計算網(wǎng)格圖

2.3材料參數(shù)

計算區(qū)域內(nèi)共有5種材料，在有限元分析模型中用不同的顏色表示。從上到下分別為壩體料(綠色)，下游排水體(大紅色)、防滲墻(桃紅色)、砂層(紫色)、冰磧層(藍(lán)色)、基巖(橘黃色)。模型中各種材料的滲透系數(shù)值見表1。

表1　材料滲透系數(shù)表

2.4邊界條件

滲流模擬區(qū)域的兩端邊界、壩基層定義為不透水層，壩體上、下游壩踵處和水接觸區(qū)域定義為水頭邊界。由于水庫建成蓄水后上游正常蓄水位2960.00 m，下游水位2888.00 m，所以壩體上游面與水接觸區(qū)域節(jié)點(diǎn)水頭定義為上游正常蓄水位H1=72 m，下游節(jié)點(diǎn)水頭為下游水位定義為H2=0 m。

3　計算結(jié)果

由于敏感性參數(shù)的選擇分析，計算假定只列出壩體下游面的壩基滲透量和水力坡降，其中下游面水力坡降值指壩體下游一定范圍內(nèi)的取值，此范圍在滲流分析中存在關(guān)鍵部位，而這個關(guān)鍵部位一般會位于溢出點(diǎn)附近。

圖3　防滲墻深度為80 m的總水頭云圖

圖4　防滲墻深度為85 m的總水頭云圖

圖5　防滲墻深度為90 m的總水頭云圖

圖3～5中，總水頭密集代表水力梯度大，材料滲透系數(shù)變化較大。從以上總水頭云圖中可以看出，在溢出點(diǎn)附近等值線分布過密，說明這個范圍內(nèi)水頭變化很快，滲透力強(qiáng)。圖中顯示水力比降最大值分布在溢出點(diǎn)附近，此區(qū)域水力比降也很大[6]。

正常蓄水位工況，不同防滲墻深度下的滲流計算結(jié)果見表2。

表2　壩基不同深度防滲墻滲流計算結(jié)果

在防滲墻深度設(shè)定為80 m時，壩后的最大水力坡降值0.55×10-2，<該工程要求的壩后最大水力坡降值0.5×10-2和設(shè)計規(guī)范要求的土體滲透破壞容許坡降值0.1。

根據(jù)對下坂地水利樞紐的三維有限元計算分析得出，防滲墻深度設(shè)置為85 m時，總滲透量為22977.77 m3/d，同比減少了25.3%，壩基滲流量為22861.46 m3/d，同比減少了26.1%，壩后最大水力坡降為0.55×10-2同比降低了33.3%。以上數(shù)據(jù)可以得出：防滲墻深度的增加可以有效降低總滲流量、壩體與壩基滲流量和壩后最大水力坡降，有效的維系了壩體、壩基的滲透穩(wěn)定性，穩(wěn)固了此土石壩的防滲體系。從圖3～4的結(jié)論可以得出：防滲墻深度設(shè)置在80～85 m之間時，壩體滲流量變化明顯，壩基滲流量基本保持線性遞減，總防滲量也明顯減少，防滲效果明顯提高；防滲墻深度設(shè)置超過85 m，總滲流量、壩體、壩基的滲流量變化明顯趨于平緩，故在此基礎(chǔ)上防滲墻深度的增加對壩基滲流量的效果越來越小，所以防滲墻深度設(shè)置為85m時為最適宜的數(shù)值，防滲效果能達(dá)到最優(yōu)。

4　結(jié)論與展望

結(jié)合新疆下坂地水利樞紐工程，采用三維有限元數(shù)值分析計算，分析得出河床深厚覆蓋層壩基防滲中防滲墻和防滲帷幕結(jié)合的體系建立，探索出防滲墻深度的變化對整體滲流的影響規(guī)律。防滲墻深度的增加可以提高壩體穩(wěn)定性，有效降低壩后的滲流量和最大水力坡降值，但同時防滲墻深度超過一定數(shù)值后，總體滲流量的變化平緩，各項數(shù)據(jù)表明之后總體防滲效果不明顯。因此，在今后防滲設(shè)計研究中，要考慮各方面的影響因素。如果覆蓋層滲透系數(shù)較大，防滲墻深度不能深及基巖的不透水層，單純對防滲墻深度的增加對防滲體系的構(gòu)建包括壩基的防滲效果都是很有限的。故施工時需要將防滲墻打到不透水層，防滲效果才能達(dá)到最佳，進(jìn)而得出滿足工程安全性、經(jīng)濟(jì)性的防滲體系結(jié)構(gòu)布置尺寸。

[1]牛運(yùn)光. 土壩安全與加固[M]. 北京: 中國水利電力出版社, 1998：16-41.

[2]周春選, 王健, 楊智睿. 新疆下坂地水庫壩基防滲處理設(shè)計[J]. 陜西水利水電技術(shù), 2005(02): 22-27.

[3]王華俊. 錦屏二級水電站閘基深厚覆蓋層滲流分析與控制研究[D]. 成都理工大學(xué), 2005.

[4]白勇, 柴軍瑞, 曹境英, 等. 深厚覆蓋層地基滲流場數(shù)值分析[J]. 巖土力學(xué), 2008,29(S1): 90-94.

[5]謝興華, 王國慶. 深厚覆蓋層壩基防滲墻深度研究[J]. 巖土力學(xué), 2009,30(09): 2708-2712.

[6]羅渝, 何江達(dá), 段斌,等. 深厚河床覆蓋層閘壩防滲墻深度優(yōu)化研究[J]. 吉林水利, 2006(01): 5-9.

1007-7596(2016)06-0033-03

2016-04-16

李曉丹(1980- )，女，黑龍江訥河人，工程師。

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