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    基于Midas的不同土石壩防滲體系效果分析

    2020-03-30 08:43:30馬雅麗
    水利科技與經(jīng)濟(jì) 2020年1期
    關(guān)鍵詞:石壩心墻防滲墻

    彭 昆,馬雅麗

    (武漢珞珈山水設(shè)計咨詢有限公司,武漢 430000)

    1 概 述

    相比于混凝土壩,土石壩壩身不能過水,因此需要有良好的防滲設(shè)施控制滲流。土石壩壩體常用的防滲設(shè)施有心墻和斜心墻,壩基防滲設(shè)施有水平防滲鋪蓋和垂直防滲墻[1-3],每種防滲體系適用的地質(zhì)條件有較大差別,防滲效果也有一定的差異,很多工程[4-6]在設(shè)計時對防滲墻、劈裂灌漿、斜墻等防滲措施進(jìn)行了方案計算比選,從而確定最優(yōu)的防滲方案。在土石壩滲流計算方法中,有限元數(shù)值模擬能較為準(zhǔn)確直觀地計算土石壩滲流情況[7-8],工程上針對土石壩防滲墻的參數(shù)對滲流影響情況的數(shù)值模擬研究較多[9-11],但是針對斜心墻、水平鋪蓋等幾種常用防滲措施的防滲機(jī)理及其防滲效果并沒有作深入比較研究。因此,本文將分別對土石壩常用的心墻+混凝土防滲墻、斜心墻+水平鋪蓋兩種土石壩防滲體系進(jìn)行滲流計算,分析比較每種防滲體系的防滲效果和機(jī)理,以期為類似工程提供參考。

    2 有限元滲流計算原理和計算模型

    2.1 滲流計算原理

    土石壩的滲流遵循達(dá)西定律[12],達(dá)西定律微分方程見式(1)。

    (1)

    式中:υx,υy,υz分別為X,Y,Z方向的滲流流速,m/s;kx,ky,kz分別為X,Y,Z方向的滲流系數(shù),cm/s;h為測壓管水頭,m。

    不可壓縮液體的連續(xù)性方程為:

    (2)

    將式(1)帶入式(2)中,可得穩(wěn)定滲流下的土石壩滲流微分方程:

    (3)

    假設(shè)土體各項(xiàng)同性,即kx=ky=kz,將式(3)化簡可得:

    (4)

    土石壩滲流邊界示意圖見圖1。

    圖1中,H1為上游穩(wěn)定的正常蓄水位,H2為下游壩坡水位,下游壩坡滲流出漏點(diǎn)高度為y。

    圖1 土石壩滲流邊界示意圖

    2.2 滲流計算模型

    本文采用Midas gts nx 有限元軟件對兩種不同體系的土石壩進(jìn)行滲流分析。壩頂高程為650 m,壩體高度為50 m,正常蓄水位548 m,上游壩坡坡度為1∶1.5,下游壩坡坡度為1∶2.0,為自由滲流面。計算模型長度取值600 m,地基的計算深度取值58 m。其中,覆蓋層厚約20 m,斜心墻頂部寬度為3 m,底部寬度5 m;心墻頂部寬度為3 m,底部寬度8 m,水平鋪蓋端部厚度為2 m,末端厚度為5 m,混凝土防滲墻厚度為2 m,深度為30 m。計算模型剖面圖見圖2、圖3。

    圖2 斜心墻+水平鋪蓋防滲體系土石壩剖面圖

    圖3 心墻+混凝土防滲墻防滲體系土石壩剖面圖

    有限元計算參數(shù)見表1,計算采用的本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb。

    表1 有限元計算參數(shù)表

    3 有限元計算結(jié)果分析

    3.1 滲流壓力水頭分析

    圖4為兩種防滲體系下壩體內(nèi)部壓力水頭云圖。從圖4中可知,兩種防滲體系均起到了減小壩體內(nèi)部水頭壓力的作用。其中,斜心墻+水平鋪蓋防滲體系下,壩體在斜心墻兩側(cè)水頭分別為100和74 m,差值約為28 m,約占上游壩體水頭的28%; 心墻+混凝土防滲墻體系下,心墻兩側(cè)水頭分別為92和58 m,差值為34 m,約占上游壩體水頭的37%。

    圖4 壩體壓力水頭云圖

    3.2 滲徑分析

    圖5為不同防滲體系下土石壩滲徑云圖。從圖5中可以看出,斜心墻+水平鋪蓋防滲體系下,土石壩的滲徑在壩體中經(jīng)過斜心墻先上升再急劇下降,在地基中幾乎成水平向下游滲透,滲徑長度較長,而水頭差較小,庫水在下游壩面靠近地基位置處滲出;在心墻+混凝土防滲墻防滲體系下,土石壩滲徑在壩體中經(jīng)過心墻之后,水頭急劇下降,在地基中繞過混凝土防滲墻,說明混凝土防滲墻對阻斷滲徑、減小壩基滲透起到較為明顯的作用。滲徑長度較短,但是水頭差較大,庫水在下游靠近壩面的基地表面滲出。

    圖5 不同防滲體系下土石壩滲徑

    3.3 浸潤線分析

    圖6為兩種防滲體系下土石壩的浸潤線。從圖6中可知,浸潤線在經(jīng)過心墻和斜心墻后急劇下降,斜心墻由于位置靠近壩體上游,因此整個壩體浸潤線較低;而心墻土石壩由于心墻位置在壩體中部,因此浸潤線較高的壩段較長。由此可知,斜心墻對于降低整個壩體的浸潤線效果更加顯著。

    圖6 不同防滲體系下土石壩浸潤線

    3.4 滲流量分析

    表2為兩種不同防滲體系下土石壩單寬滲流量統(tǒng)計表。從表2中可知,由于壩體中有防滲體存在,兩種防滲體系下壩體中的滲流量均小于地基中的滲流量。由于心墻+防滲墻防滲體系能夠有效阻斷滲徑,而壩體上游的水平鋪蓋只能起到延長滲徑的作用,因此其壩體和地基滲流量均要小于斜心墻+水平鋪蓋防滲體系下壩體和地基的滲流量。

    表2 土石壩單寬滲流量統(tǒng)計表

    4 結(jié) 論

    通過Midas gts nx有限元軟件對兩種防滲體系進(jìn)行了滲流模擬計算,比較兩種防滲體系的防滲效果和防滲機(jī)理,主要結(jié)論如下:

    1) 心墻+混凝土防滲墻體系相比斜心墻+水平鋪蓋更能有效阻斷滲徑,而斜心墻+水平鋪蓋防滲體系比心墻+混凝土防滲體系的滲徑更長,但是滲徑上的水頭差更小。

    2) 斜心墻在土石壩壩體中的位置更加靠前,因此較心墻土石壩而言其更能有效降低整個壩體浸潤線高度。

    3) 兩種防滲體系下,壩體的單寬滲流量均大于地基中的滲流量,而心墻+混凝土防滲墻防滲體系下壩體和地基中的滲流量更小,防滲效果更好。

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