基于ABAQUS的土石壩防滲墻滲流穩(wěn)定性研究

閆軍林

(新疆云灃水利設(shè)計(jì)咨詢有限公司,烏魯木齊 830000)

1 概 述

防滲墻是一種有效的水利大壩防滲手段,具有施工簡便、防滲性能好等優(yōu)點(diǎn)。目前,既有研究主要集中于防滲墻的防滲效果及滲流規(guī)律方面。如崔熙燦等[1]基于有限元,研究了瀝青混凝土心墻及壩基防滲墻應(yīng)力及變形規(guī)律。結(jié)果表明,壩基防滲墻軸線向下游的偏移會(huì)對(duì)運(yùn)行期防滲墻應(yīng)力產(chǎn)生一定的不利影響,通過心墻基座向下游擴(kuò)展,可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力顯著降低的目的。黃寧等[2]基于數(shù)值模擬,系統(tǒng)研究了土質(zhì)心墻壩防滲墻頂部土體剪切帶的變形及滲流規(guī)律。結(jié)果表明,采用剪切帶計(jì)算理論可以有效模擬土體連續(xù)變形。此外,設(shè)置剪切單元后,可以使豎向應(yīng)力平均值降低30%。甘磊等[3]基于滲流特性,系統(tǒng)研究了混凝土防滲墻施工缺陷對(duì)其滲透溶蝕演化規(guī)律。結(jié)果顯示,防滲墻中存在的鈣離子濃度隨著大壩運(yùn)營年份增長不斷降低,且隨著運(yùn)營時(shí)間增長,離子濃度越低。研究表明,服役100年后,防滲墻等效滲透系數(shù)增大了8.20倍,滲流量增大了4.49。黃秀文[4]基于非飽和滲流理論,系統(tǒng)研究了庫水位驟降下混凝土防滲墻滲流穩(wěn)定性。結(jié)果表明,水位驟降對(duì)于壩體的穩(wěn)定性是不利的,通過設(shè)置防滲墻可以提高壩體的抗?jié)B性,減小壩體的變形。周健等[5]基于Autobank數(shù)值有限元,系統(tǒng)分析了土石壩加固工程中的防滲墻內(nèi)力及變形響應(yīng)。結(jié)果表明,滲流應(yīng)力的改變導(dǎo)致防滲墻背側(cè)出現(xiàn)拉應(yīng)力。彭昆等[6]基于MIDAS數(shù)值計(jì)算方法,系統(tǒng)研究了不同土石壩防滲體系效果。結(jié)果表明,斜心墻+混凝土防滲系統(tǒng)可以延長滲流路徑,防滲效果最好。

本文基于ABAQUS數(shù)值模擬,對(duì)某水電站土石壩的滲流特征進(jìn)行研究。并在此基礎(chǔ)上,探索防滲墻下接帷幕深度對(duì)壩基滲流分布的影響。研究結(jié)果可為防滲墻的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考。

2 工程概況與數(shù)值模型

2.1 工程概況

本文研究的土石壩為典型均質(zhì)土石壩,壩高186m,頂寬14m。實(shí)際工程中,土石壩上游坡比為1:2.0和1:2.25,下游坡比1∶1.8。該土石壩屬于大(I)型水壩,見圖1。根據(jù)現(xiàn)場資料,大壩壩基分為3層,分別為漂卵石層、含漂卵石層和卵礫石層。其中,第一層巖土體透水性為中等-強(qiáng)透水性;第二層與第一層透水性基本相同。覆蓋層含有花崗巖,透水性較弱,底部為新鮮基巖,透水性差。壩基防滲采用墻幕結(jié)合。其中,主防滲墻和副防滲墻厚度均為1.2m,主副防滲墻間距14m,主防滲墻底入層1.5m,并設(shè)50m防滲帷幕,墻頂與廊道連接;副防滲墻位于主墻上游,墻底入巖1.5m,并設(shè)10m防滲帷幕。

2.2 數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)壩體典型剖面,建立數(shù)值計(jì)算模型。其中,順河流方向設(shè)為X軸,高度方向?yàn)閆軸。網(wǎng)格總數(shù)為8 400個(gè),防滲墻及帷幕42個(gè),數(shù)值計(jì)算中采用正常蓄水位180m。

圖1 大壩典型剖面圖

計(jì)算中,采用的物理力學(xué)參數(shù)主要根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)報(bào)告及參考既有文獻(xiàn)。具體見表1。

表1 材料滲透系數(shù)匯總

3 結(jié)果與分析

3.1 防滲墻滲透系數(shù)變化規(guī)律

為了研究防滲墻不同滲透系數(shù)變化規(guī)律,本文設(shè)計(jì)7種不同的計(jì)算工況,見表2。

主墻和副墻水頭損失與滲透系數(shù)的變化規(guī)律見圖2和圖3。由圖2可知,對(duì)于主墻滲透系數(shù)與水頭損失而言,主墻的滲透系數(shù)與水頭損失呈反相關(guān),而副墻的滲透系數(shù)與水頭損失呈正相關(guān)。由圖3可知,對(duì)于副墻滲透系數(shù)與水頭損失而言,主墻的滲透系數(shù)與水頭損失呈正相關(guān),而副墻的滲透系數(shù)與水頭損失呈反相關(guān)。

表2 滲透系數(shù)工況

防滲墻滲透系數(shù)與壩基滲流關(guān)系見圖4。由圖4可知,當(dāng)保持上游副墻滲透系數(shù)不改變時(shí),總水頭折減系數(shù)基本相同。當(dāng)下游主墻的滲透系數(shù)降低至10-8cm/s時(shí),對(duì)主副墻的水頭折減效應(yīng)基本無影響。此外,當(dāng)主墻滲透系數(shù)增大時(shí),副墻的水頭折減變大,而主墻折減減小。當(dāng)主墻滲透系數(shù)增大至10-6cm/s時(shí),水頭由91.2m降低至65.9m。同時(shí),當(dāng)增大主墻滲透系數(shù)時(shí),副墻的水力坡降增大。當(dāng)主墻的滲透系數(shù)增大至10-5cm/s時(shí),副墻水力梯度為151,該水力梯度大于規(guī)范允許的最大水力坡降,大壩存在安全隱患。

圖2 水頭損失與滲透系數(shù)的變化(主墻)

圖3 水頭損失與滲透系數(shù)的變化(副墻)

當(dāng)保持下游主墻滲透系數(shù)不變時(shí),總水頭折減基本一致。降低上游副墻的滲透系數(shù)至10-8cm/s時(shí),對(duì)總水頭基本無影響。此外,隨著副墻滲透性增大,副墻的水頭折減減小,主墻水頭折減變大。當(dāng)副墻的滲透系數(shù)增大至10-6cm/s時(shí),主墻水頭由91.2 m增大至113m。同時(shí),隨著副墻滲透性增大,主墻的最大水力坡降不斷變大。當(dāng)滲透系數(shù)增大至10-5cm/,副墻水力坡降為152.3,存在安全隱患。

圖4 防滲墻滲透系數(shù)與壩基滲流關(guān)系

綜合來看,當(dāng)主墻和副墻的滲透系數(shù)達(dá)到10-7cm/s,進(jìn)一步降低滲透系數(shù)對(duì)墻的水頭折減影響減弱,也表明壩基滲流分布在該范圍變化不顯著。當(dāng)防滲墻的滲透系數(shù)達(dá)到10-7cm/s時(shí),主副墻的折減系數(shù)越大,墻間水位越高。

3.2 防滲墻下帷幕深度變化規(guī)律

設(shè)計(jì)11種不同的主副墻下接帷幕計(jì)算工況,見表3。

表3 帷幕組合工況

防滲墻水頭損失與帷幕深度關(guān)系(主墻)見圖5;防滲墻水頭損失與帷幕深度關(guān)系(副墻)見圖6;壩基滲流分布隨主副墻下接帷幕深度比的變化見圖7。綜合圖5-圖7結(jié)果來看,保持上游副墻防水帷幕深度不變時(shí),當(dāng)下游主墻帷幕深度變化時(shí),總水頭折減率基本一致,但主墻和副墻水頭折減較明顯。此外,當(dāng)保持副墻帷幕深度不變時(shí),主墻帷幕深度介于30～50m時(shí),對(duì)主墻和副墻的水頭折減影響很小。當(dāng)主墻帷幕深度減小至10m時(shí),主墻水頭折減由91.3降低至70.1,折減率降低51%。同時(shí),副墻的水力坡降隨著主墻帷幕深度的減小而增大。當(dāng)主墻帷幕深度減小至0m時(shí),副墻水力梯度略大于臨界水力坡度,大壩存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 防滲墻水頭損失與帷幕深度關(guān)系(主墻)

圖6 防滲墻水頭損失與帷幕深度關(guān)系(副墻)

當(dāng)保持下游主墻帷幕的深度不變時(shí),總水頭折減不隨上游副墻帷幕深度的改變而改變。增大副墻帷幕深度值30m時(shí),主墻水頭折減降低10%,副墻折減率提高10%。當(dāng)副墻帷幕深度達(dá)到30m時(shí),增大副墻帷幕深度,對(duì)主副墻水頭折減基本保持不變。

當(dāng)主墻和副墻的帷幕深度在0～30m范圍內(nèi)變化時(shí),主墻和副墻的折減水頭和水力梯度隨著主副墻帷幕的比值增大而增大,墻間水頭升高。當(dāng)帷幕深度大于30m時(shí),折減水頭保持不變。這是由于基巖深度較大,當(dāng)帷幕深度達(dá)到一定深度時(shí),繼續(xù)增大帷幕深度,防水效果提高不顯著。因此,實(shí)際工程中,當(dāng)防滲帷幕插入基巖一定深度時(shí),帷幕深度的增大對(duì)壩基滲流的影響不再顯著。

圖7 壩基滲流分布隨主副墻下接帷幕深度比的變化

4 結(jié) 論

本文采用數(shù)值模擬,分析了某大壩混凝土防滲墻滲透系數(shù)及防滲帷幕對(duì)壩基滲流穩(wěn)定性的影響。結(jié)論如下:

1)當(dāng)防滲墻的滲透系數(shù)小于10-7cm/s,防滲墻的滲透系數(shù)改變對(duì)壩基滲流穩(wěn)定性影響不大;當(dāng)防滲墻的滲透系數(shù)大于10-7cm/s,隨著主副墻滲透系數(shù)比值的增大,防滲墻的折減水頭梯度變大。

2)當(dāng)墻體帷幕未插入基巖時(shí),主副墻的帷幕深度對(duì)壩基滲流穩(wěn)定性影響較大。主墻水頭折減和水力梯度隨著帷幕深度比值增大而增大。當(dāng)主副墻的帷幕插入新鮮基巖時(shí),進(jìn)一步增大帷幕深度,對(duì)壩基滲流影響減弱。

3)根據(jù)規(guī)范要求,主防滲墻的最大水力坡降為92.9,副墻最大允許水力坡度為75.6。本文采用副墻下接帷幕深度10m和主墻下接帷幕深度50m的設(shè)計(jì)方案,可以滿足規(guī)范允許的安全性要求。