深厚覆蓋層地基防滲設(shè)施對(duì)滲流影響的有限元分析

黃 歡，雷 龍

(1.陜西國(guó)際商貿(mào)學(xué)院，西安 712046；2.陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，西安 710100)

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深厚覆蓋層地基防滲設(shè)施對(duì)滲流影響的有限元分析

黃 歡1，雷 龍2

(1.陜西國(guó)際商貿(mào)學(xué)院，西安 712046；2.陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，西安 710100)

深厚覆蓋層地基是一種復(fù)雜性的地基工程，在這種地基上建造水利樞紐工程有著極大的困難。在工程設(shè)計(jì)時(shí)，防滲設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。與之密切相關(guān)的壩體滲流量、應(yīng)力變形、穩(wěn)定性、及材料液化等工程問(wèn)題都是至關(guān)重要的。危及工程整體安全各項(xiàng)因素諸多，其中滲流破壞導(dǎo)致的滲透變形是主要破壞之一。文章在對(duì)已建的諸多深厚覆蓋層地基上的工程實(shí)例為基礎(chǔ)，分析在此種地基上修建大壩的防滲措施的控制設(shè)計(jì)，根據(jù)工程地質(zhì)條件，壩體填筑材料選取合適的本構(gòu)模型，并開(kāi)發(fā)出適宜的計(jì)算滲流場(chǎng)的數(shù)值仿真程序，將所得有限元計(jì)算應(yīng)用到某一工程實(shí)例，據(jù)現(xiàn)有資料和計(jì)算成果的比較驗(yàn)證程序的合理性。所得出的結(jié)論能給此類(lèi)工程的設(shè)計(jì)施工有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

覆蓋層；地基防滲；設(shè)施；滲流；有限元分析

0 前 言

深厚覆蓋層是指成形于河谷內(nèi)的松散沉積物，一般情況下厚度>30m。在中國(guó)，此種地質(zhì)特征為：巖層之間不連續(xù)，物理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成因類(lèi)型復(fù)雜。巖體性質(zhì)在橫縱兩向上變化較大，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)松散導(dǎo)致力學(xué)性質(zhì)出現(xiàn)不穩(wěn)定性和不均勻性。因此，從地質(zhì)條件出發(fā)定義這種地基成因復(fù)雜且地質(zhì)條件差[1]。對(duì)工程的安全穩(wěn)定造成了很多隱患，同時(shí)在這種不良地基條件上筑壩也是極其困難的。這種地基主要分布在中國(guó)西南部，目前在建和已建的大壩很多，許多工程經(jīng)驗(yàn)都可以借鑒。在壩工設(shè)計(jì)中，對(duì)壩體滲流量、應(yīng)力變形、穩(wěn)定性、及材料液化等的考慮顯得尤其重要?，F(xiàn)目前，理論水平也趨于完善，但僅限于建在淺透水地基上修建大壩，相關(guān)的防滲體系構(gòu)建和滲流控制原理都很成熟。但在深厚覆蓋層地基上的滲流控制相關(guān)問(wèn)題，方法、技術(shù)和措施仍需進(jìn)一步研究和完善[2]。

1 深厚覆蓋層地基滲流場(chǎng)有限元分析

目前對(duì)于滲流區(qū)域的邊界界定還不清晰，在有限元模型構(gòu)建時(shí)劃分網(wǎng)格單元時(shí)要綜合考慮[3]。文章介于研究滲流場(chǎng)的三維有限元分析，故采用六面體等參單元。六面體等參單元特點(diǎn)：邊界定義明確，單元網(wǎng)格劃分機(jī)動(dòng)，軟件計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性也較高[4]。文章的滲流場(chǎng)計(jì)算單元采用八結(jié)點(diǎn)正六面體等參單元。

1.1 基本方程及定解條件[5]

在不考慮土體以及水體的壓縮性基礎(chǔ)上，符合達(dá)西定律的三維穩(wěn)定滲流問(wèn)題的定解方程為：

(1)

式中：h為水頭函數(shù)；kx、ky、kz為三相滲透系數(shù)。

土體的穩(wěn)定性滲流基本方程為：

h(x,y,z)|Γ1=f(x,y,z)

(2)

(3)

式中：f(x，y，z)為水頭函數(shù)；Γ1、Γ2為水頭邊界值和流量的邊界值；q為單位面積的流量。

1.2 單元剖分及插值函數(shù)

本單元基函數(shù)為：

(i=1，2，…，8)

(4)

式中：ξ0=ξiξ、η0=ηiη、ξ0=ξiξ。

單元的水頭插值函數(shù)可表示為：

(5)

式中：hi為實(shí)際單元中結(jié)點(diǎn)ki上的水頭值。

1.3 總體滲透矩陣

定義共有結(jié)點(diǎn)i的所有單元集合為Di，單元mi個(gè)，則累加起來(lái)逐個(gè)計(jì)算，方程表示為：

(6)

矩陣表示為：

(7)

由于水頭hn+1，…，hN為明確數(shù)值。因此，將等式左邊移動(dòng)到右端，表示為{F}，{F}=[F1,F2,…,Fn]T，表示為自由項(xiàng)的列向量，矩陣[K]表示移動(dòng)到等式左端，它是n階對(duì)稱(chēng)正定矩陣，則有

[K]{h}={F}

(8)

式中：h為未知水頭值構(gòu)成的列向量；。

上式是h1，h2，…，hn的線性代數(shù)方程組。對(duì)此方程組進(jìn)行求解能夠得出文中假設(shè)的滲流場(chǎng)。結(jié)果中以結(jié)點(diǎn)方程來(lái)表示。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某水利樞紐工程選址于塔里木河干流上，主要是防洪、灌溉，兼具發(fā)電工程效應(yīng)的水利樞紐工程[6]。該工程水庫(kù)總庫(kù)容為8.67億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容6.93億m3，水庫(kù)正常蓄水位2960m，死水位2915m，設(shè)計(jì)洪水位2963.2m，校核洪水位2964.6m。電站裝機(jī)總?cè)萘?50MW，多年平均發(fā)電量4.65億KW·h。該大壩為Ⅱ等大(2)型工程，工程規(guī)模主要由大壩、發(fā)電廠房、導(dǎo)流洞、引水發(fā)電洞組成[7]。壩址區(qū)工程地質(zhì)剖面圖見(jiàn)圖1。

2.2 有限元模型

計(jì)算模型沿上、下游壩踵各取150m，豎直方向取200m，在壩體的縱斷面沿軸線方向取25m長(zhǎng)。模型詳細(xì)模擬了壩體的各分區(qū)和材料分區(qū)，瀝青混凝土心墻、過(guò)渡層、壩殼料、反濾層和下游水平鋪蓋及排水棱體[8]；壩基通過(guò)各分區(qū)細(xì)致模擬了混凝土防滲墻和深厚覆蓋層地層的各地質(zhì)概況。

為更詳細(xì)全面的保持較好的單元形態(tài)，網(wǎng)格劃分時(shí)將瀝青混凝土心墻、過(guò)渡區(qū)及混凝土防滲墻的的單元網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。該模型共剖分單元2230個(gè)，結(jié)點(diǎn)3579個(gè)。數(shù)值仿真模型的網(wǎng)格剖分圖見(jiàn)圖2。

圖1 壩址區(qū)地質(zhì)剖面

圖2 有限元網(wǎng)格剖分圖

2.3 計(jì)算結(jié)果

文章計(jì)算(4)中不同深度的混凝土防滲墻80、100、120、140時(shí)的壩體的滲流等值線分布如圖3-6所示，圖7計(jì)算并繪制了心墻下游的浸潤(rùn)線變化隨防滲墻深度的變化關(guān)系，圖8繪制了單寬滲流量隨混凝土防滲墻深度的變化關(guān)系，表1總結(jié)了該工況下的滲流場(chǎng)中的各滲流要素隨防滲墻深度的變化情況。

圖3 防滲深度80m的滲流場(chǎng)等值線圖

圖4 防滲深度100m滲流場(chǎng)等值線圖

圖5 防滲深度120m滲流場(chǎng)等值線圖

圖6 防滲深度為140m滲流場(chǎng)等值線圖

圖7 浸潤(rùn)線變化隨防滲深度的曲線變化圖

圖8 單寬滲流量與防滲深度的曲線變化圖

垂直防滲深度/m心墻下游浸潤(rùn)線高度/m單寬滲流量/m3·(d·m)-1垂直防滲底端局部范圍土體最大水力坡降下游坡腳最大水力坡降80214.91464.830.430.20100212.88391.000.490.18120211.45325.190.570.16140209.96224.101.000.13150202.158.72—0.03

從圖3-7及表1可以看出：

1)在混凝土防滲墻深度設(shè)置未達(dá)到相對(duì)不透水層時(shí)，防滲深度的不斷增加，心墻下游浸潤(rùn)線逐漸降低，防滲深度80對(duì)應(yīng)的的214.75m逐漸降低到防滲深度為140對(duì)應(yīng)的209.75m，通過(guò)計(jì)算可以看出，防滲深度每增加10m，心墻下游平均浸潤(rùn)線高度下降0.83m。當(dāng)凝土防滲墻深度嵌入相對(duì)不透水層后，心墻下游浸潤(rùn)線的高度的變化明顯減小，這可得出在此深度的混凝土防滲墻基本截止了滲透變形的影響。

2)在混凝土防滲墻未達(dá)到相對(duì)不透水層時(shí)，單寬滲漏量和垂直防滲深度呈線性反比關(guān)系，在此期間滲漏量的變化的幅度局限。當(dāng)混凝土防滲墻達(dá)到相對(duì)不透水層后，滲漏量出現(xiàn)明顯的下跌，此時(shí)數(shù)值為8.72 m3/(d·m)。通過(guò)上述分析得知，防滲體系的構(gòu)建只有當(dāng)垂直防滲嵌入相對(duì)不透水層時(shí)，此時(shí)防滲墻的阻隔會(huì)帶來(lái)較好的防滲效果，此方法不適應(yīng)與滲透量較大的地質(zhì)條件。

3)混凝土防滲墻深度的不斷加大，垂直防滲底端局部的最大水力坡降值亦呈現(xiàn)正比對(duì)應(yīng)關(guān)系，在最大水力坡降達(dá)到1.0時(shí)(深度140)，此計(jì)算數(shù)值顯然大于規(guī)范中要求的最大水力坡降；同時(shí)，下游坡腳的水力坡降最大值可以看出逐漸減小的，最終降為0.03。這說(shuō)明在沒(méi)有完全截?cái)嗌罡采w層地基時(shí)，局部的滲漏破壞還是很有可能發(fā)生，尤其是在下游坡腳附近，故最理想的辦法是在工程技術(shù)條件允許的情況下，盡可能的讓混凝土防滲墻完全觸及覆蓋層底部。

3 結(jié) 論

文章主要是應(yīng)用有限元計(jì)算分析建在深覆蓋層地基上這種復(fù)雜地質(zhì)條件下的某水利樞紐工程，壩基垂直防滲深度的各種方式對(duì)滲流場(chǎng)的影響，進(jìn)而找到適合本工程的最有利防滲方式。通過(guò)分析指出，在技術(shù)可行的前提下徹底封閉地層是解決深覆蓋層地基滲流問(wèn)題的最行之有效的辦法。假如工程技術(shù)復(fù)雜，不得不采用懸掛式防滲，此時(shí)重點(diǎn)保護(hù)垂直防滲底部的土體。嚴(yán)密控制下游的防排和排滲措施，防止發(fā)生滲透破壞。文章較系統(tǒng)地闡述了深厚覆蓋層基礎(chǔ)的防滲處理措施，但對(duì)于各種措施的綜合應(yīng)用還將進(jìn)行下一步的探討，期望在壩工設(shè)計(jì)中為實(shí)際工程的防滲體系構(gòu)建，選擇合理的防滲和排滲措施提供一定的指導(dǎo)意義。

[1]羅守成．對(duì)深厚覆蓋層地質(zhì)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)[J]．水力發(fā)電，1995(04)：21-24.

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Finite Element Analysis for Impact of Impervious Facility of Deep Overburden Layer Foundation on Seepage

HUANG Huan1and LEI Long2

(1.Shanxi International Commercial Business Institute, Xian 712046, China;2.Shanxi Provincial Hanjiang River Diversion to Weihe River Project Construction Limited Company, Xi’an 710100, China)

The foundation of deep overburden layer is a kind of complex foundation project, and it is very difficult to construct the key hydraulic project on this kind of foundation, so the design of seepage protection is very important for the whole project design.The project problems closely with it, including seepage discharge of dam body, stress deformation, stability and material liquidation, are vital important.There are many factors to imperil the whole safety of a project, of which, seepage deformation caused by seepage is one of the major damages.Based on many project cases constructed on deep overburden layers, this paper analyzed the impervious measures control design for dams constructed on this kind of foundations, selected suitable model for filling material of dam body and developed the valuable simulated program suitable for seepage field calculation according to the project geological conditions, the finite element calculation was used in a project case to verify the reasonability of a program in line with existing data and calculated results.The conclusions drawn will provide guiding for design and construction of similar projects.

deep overburden layer; facility against foundation seepage; seepage; influence; finite element analysis

1007-7596(2017)05-0036-04

2017-04-12

黃歡(1988-)，女，黑龍江哈爾濱人，講師，研究方向?yàn)樗姽こ坦芾恚焕?1988-)，男，陜西渭南人，工程師，研究方向?yàn)樗娛┕ぜ夹g(shù)。

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