廣東省佛山市順德區(qū)菊花灣電排站工程三維有限元滲流計(jì)算分析

石 然

(佛山市順德區(qū)水利投資建設(shè)有限公司,廣東 佛山 528300)

1 工程概況

菊花灣電排站位于廣東省佛山市南順第二聯(lián)圍南線樂從堤段、菊花灣水閘下游、樁號(hào)為13+017 m，瀕臨順德水道，內(nèi)通九沙涌，工程等別為Ⅳ等小(Ⅰ)型，共安裝3臺(tái)180 kW泵站，總裝機(jī)容量540 kW，泵站主要負(fù)責(zé)圍內(nèi)鎮(zhèn)內(nèi)澇外排任務(wù)，直接受益人口19萬人，受益農(nóng)田930.907 hm2，發(fā)揮了一定的工程效益和社會(huì)效益。工程于1983年11月動(dòng)工，1985年3月建成投產(chǎn)。由于菊花灣電排站建設(shè)年代早，已運(yùn)行28年，水工建筑物破損，部分機(jī)電設(shè)備嚴(yán)重老化，效益衰減。由于始建時(shí)的條件限制，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，在2005年6月特大洪水期間，菊花灣水閘曾經(jīng)出現(xiàn)管涌險(xiǎn)情。雖然汛后進(jìn)行了截滲加固處理，但是根據(jù)堤圍下沉情況判斷，閘室底板可能脫空，存在一定滲透安全隱患。為分析該電排站滲透安全狀況，本文基于有限元法建立菊花灣電排站三維模型，賦予不同巖土層合適的參數(shù)，對(duì)滲流破壞過程進(jìn)行模擬重現(xiàn)，以期為電排站滲透安全鑒定評(píng)價(jià)提供依據(jù)[1-3]。

2 三維有限元滲流計(jì)算

2.1 模型建立

為了準(zhǔn)確模擬菊花灣電排站堤段的滲流場(chǎng)，本次研究中建立了三維有限元模型。三維有限元模型的建立充分利用了工程地質(zhì)勘察所得的相應(yīng)斷面成果，用于菊花灣電排站附近區(qū)域的滲流場(chǎng)分析。建立的三維有限元模型見圖1。

圖1 菊花灣電排站滲流計(jì)算模型

2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)室內(nèi)外試驗(yàn)結(jié)果及相似工程經(jīng)驗(yàn)，電排站滲透系數(shù)取值見表1，菊花灣電排站粉細(xì)砂的水平段臨界水力比降、允許水力比降見表2。考慮到樣品ZK2-3取自地表以下10.1～10.3 m深處，該處位于淤泥層與粉砂層交界處附近，故臨界水力坡降受到到淤泥層的影響。因此，本報(bào)告取該模型粉細(xì)砂的水平段臨界水力坡降、允許水力比降為ZK1-3、ZK1-4、ZK2-4共3個(gè)樣品的臨界水力坡降、允許水力比降的平均值0.099、0.066，取粉細(xì)砂的出口處允許水力坡降取0.300。

表1 菊花灣電排站巖土滲透系數(shù)

表2 電排站取樣部位臨界水力比降、允許水力比降

2.3 防滲體系狀況

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)及對(duì)現(xiàn)有資料的分析，菊花灣電排站堤段防滲體系薄弱環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)在以下幾處(圖2)：①在新老河道分岔處(薄弱處1)，因?yàn)槔虾拥赖撞扛叱虨?2 m，基本上已經(jīng)到了粉砂層，粉細(xì)砂的滲透系數(shù)較大，滲流可以直接經(jīng)粉砂層下滲至內(nèi)河側(cè)；②在電排站閘門底板前沿附近處(薄弱處2)，由于地基不均勻沉降，導(dǎo)致底板斷裂脫空，滲流可以從斷裂脫空處滲入粉砂層，然后經(jīng)粉砂層下滲至內(nèi)河側(cè)；③涵管邊壁處大多存在截滲墻與涵管邊壁膠結(jié)不良或者出現(xiàn)裂縫而形成滲漏通道，水流從該處集中入滲，包括外河側(cè)涵管邊壁(薄弱處3)和內(nèi)河側(cè)涵管邊壁(薄弱處4)；④內(nèi)河側(cè)進(jìn)水池底板處(薄弱處5)，因?yàn)榈鼗痪鶆虺两?，?dǎo)致底板斷裂脫空，水流從該處集中逸出。

圖2 電排站防滲系統(tǒng)薄弱處

本次計(jì)算采用百年一遇洪水位作為計(jì)算工況水位，其中壩坡內(nèi)江側(cè)水位為0.8 m，壩坡外江側(cè)水位為5.69 m?；诖?，防滲體系主要可以分為以下幾種狀況：

狀況1：新老河道分岔處破壞，電排站閘門底板前沿附近處未破壞，涵管邊壁未破壞，內(nèi)河側(cè)進(jìn)水池底板未破壞，即薄弱處1破壞，薄弱處2、3、4、5均正常。

狀況2：新老河道分岔處破壞，電排站閘門底板前沿附近處未破壞，涵管邊壁未破壞，內(nèi)河側(cè)進(jìn)水池底板破壞，即薄弱處1、5破壞，薄弱處2、3、4正常。

狀況3：新老河道分岔處破壞，電排站閘門底板前沿附近處未破壞，外河側(cè)涵管邊壁未破壞，內(nèi)河側(cè)涵管邊壁破壞，內(nèi)河側(cè)進(jìn)水池底板未破壞，即薄弱處1、4破壞，薄弱處2、3、5正常。

狀況4：電排站閘門底板前沿附近處破壞，涵管邊壁未破壞，內(nèi)河側(cè)進(jìn)水池底板未破壞，即薄弱處1、2破壞，薄弱處3、4、5正常。

狀況5：電排站閘門底板前沿附近處破壞，涵管邊壁未破壞，內(nèi)河側(cè)進(jìn)水池底板破壞，即薄弱處1、2、5破壞，薄弱處3、4正常。

狀況6：電排站閘門底板前沿附近處破壞，外河側(cè)涵管邊壁未破壞，內(nèi)河側(cè)涵管邊壁破壞，內(nèi)河側(cè)進(jìn)水池底板未破壞，即薄弱處1、2、4破壞，薄弱處3、5正常。

狀況7：電排站閘門底板前沿附近處未破壞，外河側(cè)涵管邊壁破壞，內(nèi)河側(cè)涵管邊壁未破壞，內(nèi)河側(cè)進(jìn)水池底板破壞，即薄弱處1、3、5破壞，薄弱處2、4正常。

狀況8：電排站閘門底板前沿附近處未破壞，外河側(cè)涵管邊壁破壞，內(nèi)河側(cè)涵管邊壁破壞，內(nèi)河側(cè)進(jìn)水池底板未破壞，即薄弱處1、3、4破壞，薄弱處2、5正常。

2.4 計(jì)算結(jié)果

1) 防滲體系為狀況1-狀況3時(shí)，從三維模型中截取兩個(gè)典型斷面(圖3、圖4)，查看堤壩底板各個(gè)位置的水力坡降以及流速，計(jì)算結(jié)果見表3。結(jié)果表明，菊花灣電排站在狀況1-狀況3狀況下電排堤壩底部與內(nèi)河側(cè)均存在一定程度的滲透破壞，抗?jié)B不滿足要求。

表3 狀況1-狀況3計(jì)算結(jié)果表

圖3 典型斷面1

2) 防滲體系為狀況4-狀況8時(shí)，在此情況下從三維圖中選取兩個(gè)典型斷面查看堤壩底板各個(gè)位置的水力坡降以及流速，結(jié)果見表4。計(jì)算結(jié)果表明，菊花灣電排站在狀況4-狀況8下電排堤壩底部與內(nèi)河側(cè)均存在一定程度的滲透破壞，抗?jié)B不滿足要求。

表4 狀況4-狀況8計(jì)算結(jié)果表

3 有限元分析結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的觀測(cè)，菊花灣電排站與菊花灣水閘之間的堤圍路面相對(duì)于水閘閘頂面已產(chǎn)生較大的沉降。考慮到電排站和菊花灣水閘為管樁基礎(chǔ)，根據(jù)該堤段的地質(zhì)以及堤圍下沉情況來判斷，電排站閘室底板可能已經(jīng)脫空，即內(nèi)河側(cè)極有可能已經(jīng)發(fā)生破壞。這與三維有限元模擬結(jié)果是吻合的。

與此同時(shí)，當(dāng)內(nèi)河側(cè)發(fā)生破壞，無論外河側(cè)薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生在何處，在外河側(cè)破壞處、旋噴樁底部以及內(nèi)河側(cè)破壞處，均會(huì)發(fā)生滲流破壞。因此，如任其滲流發(fā)展，菊花灣電排站將加深破壞，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)潰堤后果。

4 對(duì)策建議

1) 菊花灣電排站建設(shè)年代較早，運(yùn)行時(shí)間將近30年，水工建筑物存在不同程度的破損，應(yīng)及時(shí)排查并整治。

2) 三維有限元滲流計(jì)算顯示，菊花灣水閘和電排站閘室底板底可能發(fā)生脫空情況，內(nèi)河側(cè)可能正處于破壞狀態(tài)。

3) 基于電排站存在嚴(yán)重的滲透安全隱患，綜合考慮該站所處區(qū)域排澇能力的現(xiàn)有情況，且地下滲流場(chǎng)分布現(xiàn)狀難以進(jìn)行防滲加固工程，建議盡快拆除復(fù)堤，保障南順二聯(lián)圍防洪安全。