阿爾塔什水利樞紐工程壩體三維滲流有限元計(jì)算分析

吳俊杰，馬洪玉，袁 磊

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院中國，新疆 烏魯木齊 830000)

1 概述

混凝土面板堆石壩因具有對地形地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)安全、施工快捷等諸多優(yōu)點(diǎn)，日益受到水利工程建設(shè)者的青睞。隨著大型施工機(jī)械以及科學(xué)管理方式被引入水利工程建設(shè)中，混凝土面板堆石壩無論在數(shù)量還是高度上屢有突破[1]。在取得成功及寶貴經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，也出現(xiàn)了部分工程運(yùn)行期發(fā)生壩體、壩基、山體及岸坡接觸部位滲漏量較大等一系列問題[2]。水庫蓄水后，水流繞過防滲系統(tǒng)、岸坡滲往下游，使壩體內(nèi)部、兩岸山體的浸潤面上升，輕度的繞滲對壩體與山體影響不大，當(dāng)防滲系統(tǒng)設(shè)計(jì)有缺陷或施工過程中出現(xiàn)質(zhì)量缺陷，將導(dǎo)致更嚴(yán)重的繞壩滲漏，形成滲漏通道，造成兩岸山體巖石軟化，也有可能引起庫岸坍塌、山體塌陷和滑坡、壩體出逸點(diǎn)管涌或流土，威脅壩體的安全運(yùn)行，甚至造成人員傷亡[3- 7]。

根據(jù)規(guī)范要求[8- 9]，高山峽谷地區(qū)的高土石壩需要進(jìn)行三維滲流分析計(jì)算，計(jì)算壩體內(nèi)部浸潤面與下游壩坡出逸點(diǎn)的具體位置、滲流量、出逸點(diǎn)與不同土層之間水力梯度及繞壩滲流情況。然而，以往的滲流計(jì)算分析常針對壩體、壩基最大剖面進(jìn)行簡單的二維滲流評價(jià)，無法考慮兩岸山體以及壩體、壩基、兩岸岸坡段整個(gè)防滲系統(tǒng)在各個(gè)水位下的滲流情況[10- 15]。一直以來，國內(nèi)外專家學(xué)者通過眾多方式來解決三維繞壩滲流計(jì)算分析問題，隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)水平的不斷提高，在水利工程中有限元數(shù)值分析方法得到了廣泛應(yīng)用。因此，目前在諸多方法中，使用最為快捷、成熟的分析辦法是采用數(shù)值仿真分析法解決此類問題[16- 18]。

阿爾塔什水利樞紐工程有“新疆三峽”稱號，工程建設(shè)將對南疆莎車縣脫貧工作起到積極推進(jìn)作用，水庫安全運(yùn)行顯得十分重要。阿爾塔什混凝土面板堆石壩存在著 “三高一深”的設(shè)計(jì)難題，即最大壩高為164.8m，抗震設(shè)計(jì)烈度最高為Ⅸ度，壩體右岸高邊坡為610m左右，河床壩基覆蓋層為94m。以上工程難點(diǎn)在一個(gè)項(xiàng)目中出現(xiàn)的案例在國內(nèi)、外也比較少見，這無形中加重了壩體防滲控制設(shè)計(jì)的難度[19]。

為了全面、完整地掌握大壩各分區(qū)滲流場狀況[20- 21]，本文采用商用軟件中的三維有限元滲流計(jì)算分析模塊，求解阿爾塔什混凝土面板堆石壩、山體、壩基的滲流分析問題，評價(jià)本次滲控設(shè)計(jì)是否滿足規(guī)范要求。

2 工程概況及滲控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

阿爾塔什水利樞紐工程位于新疆莎車縣，承擔(dān)灌溉、防洪、發(fā)電等綜合任務(wù)，并且每年向塔里木河進(jìn)行3.3億m3的生態(tài)供水。工程為大(1)型Ⅰ等工程，水庫總庫容為22.40億m3，正常蓄水位1820m，大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高164.8m，裝機(jī)總量為690MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量為22.65億kW.h，控制灌溉土地面積為412.7萬畝。阿爾塔什混凝土面板堆石壩壩體橫剖面如圖1所示。

圖1 混凝土面板堆石壩標(biāo)準(zhǔn)橫剖面圖

2.2 壩址工程地質(zhì)條件

壩址區(qū)河谷呈不對稱寬“U”型，兩岸基巖裸露，河谷底寬260～450m，正常蓄水位1820m時(shí)谷寬695m，兩岸地形不對稱。

左岸山體大部分基巖裸露，巖石為中硬巖。左岸巖層產(chǎn)狀345°～355°SW∠70°～85°，走向與河谷基本正交，傾角陡。斷層以中、陡傾角的F3和F16規(guī)模最大，破碎帶寬0.5～2m，對壩肩邊坡穩(wěn)定無大的影響。左岸巖體透水率較大且極不均一，透水率q≤3Lu的下限埋深大于80m，透水率q≤5Lu的弱透水巖體垂直埋深一般為93～110m。

右岸山體基巖較寬厚，最高610m左右，壩肩有斷層F9、F10出露，斷層傾向岸里不影響右岸山體穩(wěn)定性。山體基巖強(qiáng)風(fēng)化層水平深度一般1～2m，弱風(fēng)化層水平深度15～20m?；鶐r裂隙發(fā)育，并有微巖溶和古巖溶現(xiàn)象，古巖溶主要沿F9斷層帶分布，溶洞內(nèi)充填粘土巖。巖體透水率較大，透水率q≤3Lu的下限埋深一般為75～120m，基巖透水率q≤5Lu下限埋深在45～105m左右。

F9斷層破碎帶寬1～5m，影響帶寬20m左右，斷層帶巖體透水性較強(qiáng)，斷層向下游尖滅，須加強(qiáng)斷層帶的防滲處理。

河床段的壩基地形較為平緩，覆蓋層主要由砂卵礫石構(gòu)成，厚度在50～94m左右，河床深槽位于河床中部偏右側(cè)。

2.3 壩體防滲系統(tǒng)

2.3.1壩頂結(jié)構(gòu)

本工程最頂端擋水結(jié)構(gòu)采用“L”形防浪墻，混凝土標(biāo)號為C25，抗凍等級為F200，抗?jié)B等級為W6，墻頂高出壩頂1.2m。防浪墻頂高程1827.00m，為排除雨水，采用厚度0.2m混凝土路面，采用向下游坡度為2%單向傾斜。由于壩體沉降會使防浪墻與面板銜接處產(chǎn)生張拉或擠壓變形，因此，在該處相接位置設(shè)沉降縫，此縫與面板分縫錯(cuò)開布置，每段12m，縫內(nèi)設(shè)止水。

2.3.2壩料分區(qū)設(shè)計(jì)

為了保證大壩防滲系統(tǒng)在運(yùn)行期的抗?jié)B要求，依據(jù)壩址區(qū)材料的特性及儲量，確保壩體在各個(gè)工況下安全運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)合理。按照規(guī)范要求設(shè)計(jì)大壩各個(gè)斷面并進(jìn)行分區(qū)，壩體分區(qū)為：1A區(qū)為鋪蓋、1B區(qū)為蓋重、混凝土面板、2A區(qū)是墊層料、2B區(qū)是特殊墊層料、3A區(qū)是過渡料、3B區(qū)是砂礫料、3C區(qū)是爆破料、3D區(qū)是排水料。1B鋪蓋區(qū)頂高程1710.00m，頂部寬度5.0m，坡比為1∶2，1A蓋重區(qū)頂高程與1B區(qū)一致，頂部寬度為10m，坡比為1∶2.5。2A墊層料區(qū)水平寬度為3m，滲透系數(shù)控制在10-3～10-4cm/s，設(shè)計(jì)相對緊密度Dr≥0.9。3A過渡料區(qū)水平寬4m，過渡料采用C3料場篩除150mm以上顆粒的砂礫料，級配連續(xù)，填筑標(biāo)準(zhǔn)要求相對緊密度Dr≥0.9。3B砂礫料區(qū)位于過渡料區(qū)下游，填筑標(biāo)準(zhǔn)要求相對緊密度大于0.9。3C堆石料區(qū)位于砂礫料區(qū)下游，堆石料由P1、P2石料場爆破開采或采用樞紐開挖利用料，要求Dmax≤800mm。設(shè)計(jì)孔隙率取n≤19%。

2.3.3壩基處理設(shè)計(jì)

(1)河床深厚覆蓋層防滲處理

壩基河床覆蓋層Ⅰ巖組為含漂石砂卵礫石層，顆粒粗大，Ⅱ巖組為砂卵礫石層夾有多層缺細(xì)粒充填卵礫石(強(qiáng)滲層)，均屬強(qiáng)透水層，滲透破壞形式以管涌為主。河床覆蓋層下伏基巖為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，巖體中屬于Ⅴ級結(jié)構(gòu)面的微裂隙發(fā)育，透水率q≤5Lu界線埋深為基巖面以下10～60m。壩基河床段覆蓋層最深達(dá)到94m，且抗?jié)B穩(wěn)定性較差，因此在河床深覆蓋層段即趾0+386.207m～趾0+688.575m(壩0+235.692m～壩0+543.546m)段設(shè)置一道寬1.2m的混凝土防滲墻防滲，截?cái)嗪硬壑械纳奥训[石，墻底深入基巖內(nèi)0.5～1.2m。由于上部變形較大，防滲墻上部10m采用鋼筋混凝土防滲墻。防滲墻墻后進(jìn)行固結(jié)灌漿，灌漿深度10m，提高墻體的整體抵抗變形能力。

(2)混凝土趾板基礎(chǔ)處理

左岸基巖強(qiáng)風(fēng)化層厚2～3m，弱風(fēng)化層厚16～22m。右岸趾板基巖強(qiáng)風(fēng)化層厚2～3m，弱風(fēng)化層厚15m。左、右岸岸坡壩段趾板基礎(chǔ)置于弱風(fēng)化層巖石上，對斷層設(shè)置混凝土塞。

(3)基礎(chǔ)灌漿

為了提高表層基巖的整體剛度性以及便于帷幕灌漿施工，對趾板地基進(jìn)行固結(jié)灌漿，深度為8m。為了提高河床表層砂礫石的整體性，對河床趾板及連接板范圍內(nèi)的砂礫石層進(jìn)行固結(jié)灌漿，深度10m。

由于3Lu線埋深較深，根據(jù)規(guī)范要求，壩基處帷幕灌漿的深度按照壩基透水率<5Lu或1/2壩高作為控制指標(biāo)。左岸趾板帷幕深度為38～74m，右岸趾板下帷幕深度為44～82m。在壩頂兩端設(shè)置廊道進(jìn)行兩岸的防滲帷幕灌漿，其中左壩端灌漿廊道長30m，灌漿深度再20～38m左右，右壩端廊道長38m，灌漿深度在20～42m左右。河床混凝土防滲墻段墻下各設(shè)1排帷幕灌漿，孔距2m，帷幕灌漿最大深度為69m，按5lu線控制。

(4)斷層處理

左岸在高程1830m處有F3斷層出露，與坡面走向近與平行，與趾板開挖剖面交角68°左右。該斷層屬張性斷層，寬0.3～0.5m，上盤巖體較破碎，且有卸荷跡象，可能產(chǎn)生繞壩滲漏，應(yīng)加強(qiáng)斷層帶的處理，以防滲透破壞。高程1772m處有F16斷層出露，產(chǎn)狀為78°SE∠63°，規(guī)模較小，加強(qiáng)灌漿處理即可。

右岸高程1710m和1830m處分別分布有F7和F9斷層，斷層破碎帶寬1～5m，主要以角礫巖，膠結(jié)的糜棱巖為主。目前國內(nèi)外對較寬的斷層處理基本上還是以置換和封閉為主，對斷層核部進(jìn)行混凝土洞塞進(jìn)行置換，采用的混凝土洞塞封閉深度為1.5m，高度為斷層核部的高度為2m，邊壁設(shè)置2根4.5m長、直徑25mm、間距1.5m砂漿錨桿，斷層影響帶范圍進(jìn)行10m深度的固結(jié)灌漿處理，范圍為壩軸線至上游280m。

右岸出露的F10斷層，規(guī)模不大，破碎帶寬0.3～0.5m，斷層與岸坡近于平行，傾向岸里，對斷層帶采用開挖后回填混凝土及加強(qiáng)灌漿處理。

在趾板基礎(chǔ)出露的輝綠巖脈其風(fēng)化破碎呈碎塊狀，不能滿足趾板基礎(chǔ)要求，須開挖回填混凝土及進(jìn)行灌漿處理。

3 壩體繞壩滲流三維有限元分析

3.1 有限元計(jì)算模型及網(wǎng)格剖分

根據(jù)阿爾塔什水利樞紐工程壩址地質(zhì)、水工及水文地質(zhì)資料，建立完整防滲系統(tǒng)的三維有限元模型，如圖2—3所示。模型以壩軸線為中心，向上、下游及兩岸延伸超過2～3倍壩高，并考慮到上、下游地形特點(diǎn)，向上游延伸超過1500m，向下游超過1200m，向左、右岸延伸最少300m。模型向上取至壩頂防浪墻頂高程1827.00m，底部高程為1451.00m，覆蓋層最大厚度為94m。模型中包含強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化及微新鮮巖體，河床覆蓋層，各分區(qū)壩體及由防浪墻、面板、趾板、連接板、防滲墻、固結(jié)灌漿、帷幕灌漿組成的防滲系統(tǒng)。模型X-軸指向右岸，Y-軸指向下游，Z-軸垂直向上。

圖2 三維有限元整體模型圖

根據(jù)以上三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用四面體等參單元，有限元網(wǎng)格共有單元890226個(gè)。

3.2 滲流計(jì)算理論

當(dāng)不考慮液體與土質(zhì)材料的壓縮性時(shí)，三維各向異性非均質(zhì)介質(zhì)的穩(wěn)定滲流方程如下式：

422 Senescence-associated secretory phenotype and its complex regulation networks: a review of molecular mechanisms

(1)

在三維滲流場的計(jì)算分析過程中，主要采用以下三種邊界條件：

(1)初始條件給定，給定水頭：H=H0。

(2)不透水邊界條件Γ2：?H/?n=0。

(3)出滲面Γ3：H(x，y，z)=Z(x，y)， ?H/?n>0

式中，n—邊界外法線方向，

3.3 計(jì)算參數(shù)

本次計(jì)算的各種材料滲透系數(shù)為施工圖紙階段的現(xiàn)場試驗(yàn)參數(shù)，具體見表1。

表1 材料參數(shù)表

3.4 計(jì)算工況

通過三維繞壩滲流計(jì)算可以更全面、更完整地了解并掌握大壩各分區(qū)滲流場狀況，評價(jià)防滲系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)要求。本次計(jì)算采用以下3種工況：

(1)工況1，正常蓄水位(1820.00m)與相應(yīng)下游尾水位(1661.00m)。

(2)工況2，設(shè)計(jì)洪水位(1821.75m)與相應(yīng)下游尾水位(1669.80m)。

(3)工況3，校核洪水位(1823.69m)與相應(yīng)下游尾水位(1670.22m)。

3.5 三維滲流計(jì)算成果

通過三維有限元滲流計(jì)算成果可知，正常蓄水位時(shí)壩體、兩岸、壩基總的滲漏量是0.553m3/s，其中左岸繞壩滲漏量為0.141m3/s，河床段和混凝土面板總的滲流量為0.273m3/s，右岸繞壩滲漏量為0.139m3/s，兩壩肩滲漏量很小，繞壩滲流并不明顯。滲流過面板的水在經(jīng)墊層料區(qū)、砂礫料、堆石區(qū)至排水料時(shí)，水位降至1661.00m，覆蓋層最大水力比降為0.072，壩體溢出點(diǎn)最大水力比降0.068，其余各填筑分區(qū)水力比降均小于破壞水力比降0.1，表明壩殼料、排水料、覆蓋層沒有出現(xiàn)滲透破壞。滲流場的分布規(guī)律比較合理，水頭等值線在趾板、連接板、混凝土面板、混凝土防滲墻、固結(jié)灌漿、帷幕灌漿等防滲系統(tǒng)內(nèi)部非常密集，并且在混凝土面板迎水面與背水面水位差最大，可見設(shè)計(jì)的防滲系基本承擔(dān)了上游水頭，防滲效果明顯。各個(gè)工況計(jì)算結(jié)果見表2。由于設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位情況下的計(jì)算結(jié)果與正常蓄水位基本一致，這里只列出正常蓄水位工況下的主要計(jì)算成果，如圖4—7所示。

圖3 最大剖面典型剖面圖及防滲系統(tǒng)幾何模型

表2 三維繞壩滲流各個(gè)工況計(jì)算成果表

圖4 正常蓄水位時(shí)壩體最大剖面孔隙壓力等值線圖(單位：m)

圖5 正常蓄水位時(shí)孔隙壓力等值線圖及壓力水頭等值線分布圖(單位：m)

圖6 正常蓄水位對應(yīng)高程1687.20剖面繞壩滲流等值線云圖(單位：m)

4 結(jié)論

(1)本文采用某商用軟件中的穩(wěn)態(tài)滲流模塊計(jì)算分析了阿爾塔什水利樞紐工程面板堆石壩壩體、山體、壩基三維繞壩滲流情況。計(jì)算結(jié)果表明：正常蓄水位、設(shè)計(jì)水位、校核水位的防滲系統(tǒng)孔隙壓力等值線、水頭等值線及流速矢量場的分布規(guī)律基本合理，水頭等值線在防滲系統(tǒng)等處較為密集，水流在通過防滲系統(tǒng)后上游水頭明顯折減，最大水頭為159m左右，壩體、山體、壩基整體最大滲漏量占徑流量的0.776%，表明大壩設(shè)計(jì)的防滲系統(tǒng)正常發(fā)揮了作用，防滲效果明顯，面板對壩體滲流場起到控制作用。在經(jīng)墊層料區(qū)、砂礫料堆石區(qū)至排水料后水力比降0.031，各填筑分區(qū)水力比降均小于允許水力比降，表明灌漿帷幕伸入兩岸的長度符合規(guī)范要求。可見當(dāng)滿足設(shè)計(jì)要求的滲控標(biāo)準(zhǔn)后，上述三個(gè)工況下對應(yīng)的計(jì)算成果無明顯滲漏及繞壩滲流現(xiàn)象。

圖7 正常蓄水位面板迎水面、背水面滲流場壓力水頭等值線

(2)與傳統(tǒng)二維滲流計(jì)算相比，三維有限元法計(jì)算可以更直觀、更全面、更詳細(xì)地評價(jià)壩體、壩基、岸邊繞壩滲流，為今后壩體滲控設(shè)計(jì)提供借鑒。