喀麥隆曼維萊水電站攔河壩滲流穩(wěn)定分析計算

周 艷 王朝江 王立群 劉國強

喀麥隆曼維萊水電站攔河壩滲流穩(wěn)定分析計算

周 艷 王朝江 王立群 劉國強

曼維萊水電站攔河壩分為一期主壩(黏土心墻堆石壩)、二期主壩(均質(zhì)土壩)和三期主壩(均質(zhì)土壩)組成。重點介紹了攔河壩滲流和邊坡穩(wěn)定分析計算，為其他水利樞紐工程提供參考。

黏土心墻堆石壩 均質(zhì)土壩 滲流計算 邊坡穩(wěn)定

在曼維萊水電站詳細初步設(shè)計階段，充分考慮雨季降雨對土石壩壩體填筑進度及質(zhì)量的影響并盡量減少土質(zhì)防滲體的填筑量角度考慮，攔河主壩優(yōu)先考慮并最終推薦采用了心墻堆石壩壩型。在工程開工以后，首先從攔河主壩一期壩段(采用黏土心墻堆石壩)的實際施工情況來看，工程區(qū)特殊的氣候條件對防滲土料的填筑施工的影響可以通過優(yōu)化施工措施等來盡量加以規(guī)避和降低，基于幾個因素的考慮，二期和三期攔河主壩開始填筑施工之前，設(shè)計通過細致的分析計算和與工程師的耐心溝通交流，決定將剩余的二期和三期攔河主壩壩型由之前經(jīng)工程師審查批復(fù)的心墻堆石壩優(yōu)化調(diào)整為均質(zhì)土壩壩型。

1 工程概況

首部樞紐攔河壩及泄水建筑物沿壩軸線從左至右依次為：左岸連接壩段、泄洪沖沙閘及主溢洪道、河心島壩段、輔助溢洪道和右岸灘地及岸坡壩段。攔河壩及泄水建筑物樞紐壩頂高程為395.0 m，上游側(cè)防浪墻頂高程為396.2 m，壩頂總長約1 800 m。其中一期壩段位于主溢洪道右側(cè)，起止樁號MD1+691.911—MD0+962.5，壩型為黏土心墻堆石壩。二期壩段起止樁號MD0+438.283—MD0+962.5，壩型為均質(zhì)土壩。三期壩段起止樁號MD0+000—MD0+332.283，采用均質(zhì)土壩，其下左側(cè)接輔助溢洪道。本文選取兩個典型斷面進行滲流穩(wěn)定分析計算：(1)一期壩段黏土心墻堆石壩典型斷面；(2)二期壩段均質(zhì)土壩典型斷面。

根據(jù)現(xiàn)場勘查和試驗結(jié)果，一期攔河壩建基面全部清除上部粉細砂、黏質(zhì)粉土層，以下部完整基巖為建基面。未發(fā)現(xiàn)有斷層發(fā)育，僅有節(jié)理發(fā)育。二期攔河壩齒槽上、下游側(cè)建基面全部清除上部粉細砂、黏質(zhì)粉土層，以下部完整基巖為建基面。地基巖性以弱風(fēng)化片麻巖(Pt1N)為主，局部夾輝綠巖巖脈或石英巖脈，未發(fā)現(xiàn)有斷層發(fā)育，僅有節(jié)理發(fā)育。

2 計算原理

2.1 滲流分析原理

滲流分析理論公式是基于飽和與非飽和土體的滲流的達西定律。

對控制方程應(yīng)用Calerki線性有限元法進行空間離散，將二維流動區(qū)域剖分為三角形或者四邊形單元。然后采用隱式(向后)有限差分格式對時間積分，經(jīng)迭代后生成線性方程組。根據(jù)線性方程組的特點和計算規(guī)模的大小，采用不同的數(shù)值解法。此外，為了提高求解效率設(shè)計了自動調(diào)整措施，如時間步長的自動調(diào)整、Courant數(shù)和Peclet數(shù)自檢、采用迎風(fēng)加權(quán)格式減少CDE方程求解的數(shù)值震蕩問題等。

2.2 穩(wěn)定分析原理

壩體穩(wěn)定分析采用極限平衡法，極限平衡法是建立在摩爾-庫侖強度準則基礎(chǔ)上的，將滑動面上土體的抗剪強度參數(shù)(c'，φ')折減F倍后，此時滑動面上的土體強度滿足摩爾-庫侖強度準則，處于極限平衡狀態(tài)，此時的F值就是邊坡的安全系數(shù)。上述將強度指標的折減作為安全系數(shù)定義的方法是經(jīng)過多年的實踐被工程界廣泛承認的一種做法。

3 計算分析

3.1 壩體滲流計算

壩體滲流計算各圖層指標見表1、2。

根據(jù)規(guī)范要求，本文就以下工況進行計算：(1)上游正常蓄水位392.00 m與下游相應(yīng)的最低水位；(2)上游校核水位392.50 m與下游相應(yīng)的最低水位；(3)上游最高水位393.80 m與下游相應(yīng)的最低水位；(4)庫水位降落，上游水位由正常蓄水位下降至死水位；各種工況下游水位，由于無法知道其準確性，均按下游無水考慮。

表1 黏土心墻堆石壩滲流分析計算參數(shù)表

表2 均質(zhì)土壩滲流分析計算參數(shù)表

計算分析選取壩的最高斷面計算計算。計算模型上下游各取50 m，地基深度為40 m的計算范圍進行分析，見圖1、2。

圖1 黏土心墻堆石壩計算模型簡圖

圖2 均質(zhì)土壩計算模型簡圖

通過有限元分析，各工況計算結(jié)果見表3、4。

表3 黏土心墻堆石壩各工況滲流結(jié)果統(tǒng)計表

表4 均質(zhì)土壩各工況滲流結(jié)果統(tǒng)計表

各斷面工況1計算的浸潤線、等勢線見圖3、4。

圖3 黏土心墻堆石壩工況1滲流計算結(jié)果圖

3.2 壩體穩(wěn)定計算

穩(wěn)定計算主要依據(jù)滲流計算出的浸潤線以及壩體材料和基礎(chǔ)材料屬性，采用剛體極限平衡法計算出不同工況下壩體上下游坡面的穩(wěn)定系數(shù)。目的在于保證壩身與壩基在自重、各種情況的孔隙水壓力和外荷載作用下，具有足夠的穩(wěn)定性 ,不致發(fā)生通過壩體和壩基的整體剪切破壞。計算選取最大壩高處斷面。壩體穩(wěn)定計算各圖層指標見表5、6。

圖4 均質(zhì)土壩工況1滲流計算結(jié)果圖

項目單位重量/(kN·m-3)有效應(yīng)力參數(shù)總應(yīng)力參數(shù)內(nèi)摩擦角φ'/(°)黏聚力C'/kPa內(nèi)摩擦角φ'/(°)黏聚力C'/kPa泊松比μ變性模量/kPa堆石料23.04004000.38000黏土心墻15.0182015250.33500基巖-弱風(fēng)化27.540750407500.35×106反濾料20.03303200.34000排水層20.03303200.34000覆蓋層-天然土層16.6231519200.32600

表6 均質(zhì)土壩穩(wěn)定分析計算參數(shù)表

根據(jù)規(guī)范要求，在結(jié)合壩的實際情況，本文針對以下6種工況進行計算：(1)完建工況下上下游邊坡及壩基的穩(wěn)定性；(2)正常蓄水位392.00 m穩(wěn)定滲流期下的下游邊坡及壩基的穩(wěn)定性；(3)正常蓄水位392.00 m地震工況下的下游邊坡及壩基的穩(wěn)定性；(4)上游校核水位392.50 m下的下游邊坡及壩基的穩(wěn)定性；(5)上游最高水位393.80 m下的下游邊坡及壩基的穩(wěn)定性；(6)庫水位降落，上游水位由正常蓄水位下降至死水位的上游邊坡及壩基的穩(wěn)定性；各種工況下游水位，由于無法知道其準確性，均按下游無水考慮。各工況計算結(jié)果見表7、8。

表7 黏土心墻堆石壩各工況穩(wěn)定分析結(jié)果統(tǒng)計表

4 結(jié) 語

(1)通過各工況下分析，單寬滲流量遠遠小于常年來水量，壩腳處滲透比較小均滿足規(guī)范設(shè)計要求；壩體及壩基內(nèi)的滲流場分布正常，流網(wǎng)變化不大。

表8 均質(zhì)土壩各工況穩(wěn)定分析統(tǒng)計表

(2)各工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求；在水位驟降工況下，上游邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)隨著時間的增長而減小，主要是由于水位降落的速度超過了孔隙水壓力的消散速度，產(chǎn)生超孔隙水壓力作用于上游壩坡的原因。

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1007-6980(2017)03-0038-03

周 艷 女 工程師 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 天津 300222

王朝江 男 工程師 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 天津 300222

王立群 男 工程師 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 天津 300222

劉國強 男 工程師 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 天津 300222

2017-07-06)