基于數(shù)值模擬的土石壩防滲墻滲流穩(wěn)定性分析

賀仁臣

(深圳市深水水務(wù)咨詢(xún)有限公司,廣東 深圳 518000)

1 概 述

據(jù)統(tǒng)計(jì),截至2011 年,我國(guó)已建完且投入使用的水庫(kù)大壩約98 000 座。 調(diào)查顯示,在大壩所引發(fā)的事故中,最常見(jiàn)的主要是由于滲流導(dǎo)致的。

目前,相關(guān)研究主要集中于大壩防滲穩(wěn)定性方面。 包騰飛等[1]基于非線(xiàn)性有限元分析,系統(tǒng)研究了深厚覆蓋層上的面板堆石壩防滲布置最優(yōu)方式。 結(jié)果表明,采用單連接板和單防滲墻體系的防滲方案是具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低的防滲布置方案。 溫立峰等[2]基于數(shù)值分析,研究了深覆蓋層上面板堆石壩防滲墻應(yīng)力變形規(guī)律。 結(jié)果表明,大壩采用分期填筑的方式可有效降低防滲墻的變形,其中防滲墻的貫入深度越大,大壩的安全性越高。 柳瑩等[3]基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),系統(tǒng)研究了深厚覆蓋層防滲墻滲流穩(wěn)定性。 結(jié)果表明,實(shí)際工程中,提高監(jiān)測(cè)儀器成活率和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度,更直觀(guān)準(zhǔn)確反映各因素對(duì)防滲墻的影響規(guī)律和防滲墻的運(yùn)行性狀變化。 羅玉龍[4]等估計(jì)與多孔介質(zhì)滲流理論,系統(tǒng)研究了深厚覆蓋層中新型擴(kuò)底防滲墻的防滲效果。 結(jié)果表明,擴(kuò)底結(jié)構(gòu)形式的防滲墻與常規(guī)形式相比,能夠顯著降低防滲墻端部和下游壩腳出溢處的最大坡降。此外,防滲墻端部的最大滲透坡降和下游壩腳出溢處的最大滲透坡降隨著擴(kuò)底結(jié)構(gòu)半徑增大而減小。 王正成等[5]基于數(shù)值模擬,研究了深厚覆蓋層弱透水層對(duì)防滲墻防滲效果的影響。 結(jié)果表明,半封閉式防滲墻可以有效減小壩基滲流及壩基出逸坡降。 在實(shí)際工程中,防滲墻和弱透水層聯(lián)合防滲,可顯著提高垂直防滲墻的控滲效果。

針對(duì)目前對(duì)于防滲墻滲流穩(wěn)定性的相關(guān)研究較少,本文建立數(shù)值計(jì)算模型,系統(tǒng)研究防滲墻滲流穩(wěn)定性,研究結(jié)果可為大壩防滲墻的設(shè)計(jì)及加固提供參考與借鑒。

2 工程概況與數(shù)值模型

本文研究的壩體采用粉質(zhì)黏±心墻壩,最大壩高30.4m,校核洪水位3 402m。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔資料揭示,壩址所在地層由上到下：第一層為沖積礫石層,厚度3～30m;第二層為沖積礫石層,厚度為30～50m;第三層為上更新統(tǒng)的沖積礫石層,厚度為60～80m。

根據(jù)大壩的實(shí)際情況,建立數(shù)值計(jì)算模型。為了模擬防滲墻和巖±體的接觸,本文在兩者之間設(shè)置Goodman 接觸單元。 最終模型的網(wǎng)格總數(shù)為25 780 個(gè),節(jié)點(diǎn)單元為27 980 個(gè)。 模型典型斷面圖見(jiàn)圖1。

圖1 大壩典型剖面圖

模型方向假定河水流向?yàn)閄 軸,與河水流向垂直為Y 軸。 數(shù)值模型中,網(wǎng)格劃分均采用四邊形單元;巖±體本構(gòu)為摩爾-庫(kù)倫模型。 計(jì)算模型中,材料滲透系數(shù)見(jiàn)表1;材料物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 材料滲透系數(shù)

表2 材料物理力學(xué)參數(shù)

考慮本文研究?jī)?nèi)容,計(jì)算工況主要選取4 種：①防滲墻最大深度92m,滲透系數(shù)見(jiàn)表2;②防滲墻位置為覆蓋層I 底面,覆蓋層II 與覆蓋層I 滲透系數(shù)比值為0～2;③防滲墻位置為覆蓋層II 底面,覆蓋層III 與覆蓋層II 滲透系數(shù)比值為0～2;④防滲墻位置為覆蓋層III 底面,強(qiáng)風(fēng)化基巖與覆蓋層III 滲透系數(shù)比值為0～2。

3 結(jié)果與分析

3.1 防滲墻深度對(duì)滲流場(chǎng)影響分析

圖2 為工況1 防滲墻深度與滲流量及占來(lái)水量關(guān)系。 由圖2(a)可知,壩基滲流量和總滲流量隨防滲墻的深度增大而減小,而壩體滲流量基本保持不變。 在防滲墻深度為40m 以下時(shí),壩基滲流量和總滲流量隨防滲墻的深度增大而減小速度非常快;當(dāng)防滲墻深度大于40m 時(shí),兩種滲流量的變化速率趨于平緩,即防滲墻深度的增大對(duì)滲流量的影響程度越來(lái)越小。 由圖2(b)可知,隨著防滲墻深度的增大,占來(lái)水量比隨之減小,且隨防滲墻深度逐漸增大,占來(lái)水量比的影響越來(lái)越弱,其中控制滲漏量占來(lái)水量小于1%。 綜合以上分析可知,防滲墻深度大于40m,即可滿(mǎn)足防滲要求。

圖2 工況1 防滲墻深度與滲流量及占來(lái)水量關(guān)系

圖3 為工況1 水力坡降與滲流量關(guān)系。 由圖3(a)可知,防滲墻底部水力坡降隨防滲墻深度增大而增大,但當(dāng)防滲墻深度大于40m 時(shí),水力坡降增大速度趨于平緩。 而水力坡降隨深度增大呈折線(xiàn)變化規(guī)律,在防滲墻深度分別為40 和90m 時(shí),出現(xiàn)最大的水力坡降。 由圖3(b)可知,工況1 出逸點(diǎn)水力坡降隨防滲墻深度的增大而逐漸減小,當(dāng)防滲墻深度大于40m 時(shí),水平坡降變化逐漸趨于平緩。 綜合來(lái)看,隨防滲墻深度增大,墻體的水力坡降均小于混凝±允許坡降。 當(dāng)防滲墻深度大于40m 時(shí),大壩后出逸水力坡降迅速減少,并且可以滿(mǎn)足覆蓋層的允許水力坡降,因此壩體是安全的。

圖3 工況1 水力坡降與滲流量關(guān)系

圖4 為工況2 防滲墻深度與滲流量及占來(lái)水量關(guān)系。 由圖4(a)可知,壩基滲流量和總滲流量隨防滲墻的深度增大而減小,而壩體滲流量基本保持不變。 在防滲墻深度為40m 以下時(shí),壩基滲流量和總滲流量隨防滲墻的深度增大而減小速度非常快;當(dāng)防滲墻深度大于40m 時(shí),兩種滲流量的變化速率趨于平緩,即防滲墻深度的增大對(duì)滲流量的影響程度越來(lái)越小。 由圖4(b)可知,隨著防滲墻深度的增大,占來(lái)水量比隨之減小,且隨防滲墻深度逐漸增大,占來(lái)水量比的影響越來(lái)越弱。 此外,圖5 為工況2 水力坡降與滲流量關(guān)系。 綜合來(lái)看,工況2 相關(guān)的大壩滲流量及防滲墻的水力坡降變化規(guī)律基本與工況1 相似。 防滲墻深度大于40m 時(shí),大壩后出逸水力坡降迅速減少,因此壩體是安全的。

圖4 工況2 防滲墻深度與滲流量及占來(lái)水量關(guān)系

圖5 工況2 水力坡降與滲流量關(guān)系

3.2 材料滲透系數(shù)敏感性分析

圖6 為不同工況下防滲墻水力坡降與滲透系數(shù)比的關(guān)系。 由圖6 可知,當(dāng)無(wú)量綱滲透系數(shù)小于1,隨著滲透系數(shù)比的增大,不同工況下防滲墻底部水力坡降減小,但影響速率越來(lái)越平緩。但綜合來(lái)看,水力坡降大于覆蓋層的允許水力坡降。 由于防滲墻的存在導(dǎo)致水流通過(guò)受阻,且防滲墻深度越大,墻體兩側(cè)壓力差越大,導(dǎo)致底部水力坡降增大。

圖6 水力坡降與滲透系數(shù)比關(guān)系

在實(shí)際工程中,對(duì)于封閉式防滲墻而言,由于覆蓋層與基巖滲透系數(shù)差異性非常大,因此防滲墻深度需嵌入到基巖中,這樣可有效避免防滲墻底部水力坡降導(dǎo)致的局部沖刷破壞。

4 結(jié) 論

本文采用數(shù)值模擬,系統(tǒng)研究了混凝±防滲墻在不同工況下的滲透穩(wěn)定性。 結(jié)論如下：

1)不同工況下,壩基滲流量和總滲流量隨防滲墻的深度增大而減小,而壩體滲流量基本保持不變。 在防滲墻深度為40m 以下時(shí),壩基滲流量和總滲流量隨防滲墻的深度增大而減小速度較顯著。

2)防滲墻深度對(duì)滲流場(chǎng)影響分析表明,當(dāng)防滲墻深度大于40m 時(shí),滲流量的變化速率趨于平緩。 在實(shí)際工程中,防滲墻深度大于40m,即可滿(mǎn)足防滲要求。

3)當(dāng)無(wú)量綱滲透系數(shù)小于1 時(shí),隨滲透系數(shù)比的增大,不同工況下防滲墻底部水力坡降減小,但影響速率越來(lái)越平緩。 對(duì)于封閉式防滲墻而言,由于覆蓋層與基巖滲透系數(shù)差異性非常大,因此防滲墻深度需嵌入到基巖中,這樣可有效避免防滲墻底部水力坡降導(dǎo)致的局部沖刷破壞。