基于有限元的某水电站坝肩防渗墙优化设计研究

姚锋杰

(水利部山西水利水电勘测设计研究院,山西太原030024)

0 引 言

在水利工程中,渗流广泛存在于堤坝之中。堤坝渗漏会导致管涌,引起滑坡甚至溃坝。目前国内外对于渗流破坏的处理措施一般是改善坝体材料抵抗渗透破坏的能力,或者降低渗流出口比降和坝身浸润线位置。渗流控制措施原则[1～4]是,“前铺、截、堵”是在临水侧采取防渗铺盖、防渗斜墙和垂直防渗幕(墙)等防(截)渗措施,达到延长渗径,降低水力坡降的目的;“后导、减、排”即在背水侧采取反滤体、导渗沟、排水褥垫、排水减压沟、减压井等导渗和排水减压措施,以降低坝后压力水头及水力坡降,防止渗透变形破坏;“中压、截”即采用盖重措施处理,如吹填法和压实填筑法,或者在堤体内设置防渗墙或者帷幕[5～13]。上述措施在实际选用时应因地制宜、搭配综合使用,以满足工程防渗要求。

渗流过程较为复杂,一般表现为渗透特性和边界条件的复杂性,如渗透的各向异性和非均匀性,排水孔边界及自由边界等[1～4]。有关该问题的计算方法大致可以分为两类:一类是解析解;一类是数值解,其中有限元方法较为常见。本文以某水电站坝肩的渗流问题为研究对象,选择典型工程地质断面,建立有限元计算模型,计算其渗流场。根据不同工况渗流场,评价坝肩防渗处理效果和防渗墙体的设计参数进行优化。

1 工程概况及拟采取防渗措施

1.1 工程地质条件

右岸坝基地形呈阶梯状向岸内抬升,Ⅰ级台面高程1 778 m～1 780m,宽65 m左右,其上有大河家小水电引水渠通过;Ⅱ级阶地台面前缘高程1 791 m。地表均为第四系全新统(Q4)阶地堆积物,下伏第三系红层。

地下水位埋藏于砂卵砾石层中:Ⅰ级阶地区地下水埋深5.7 m左右,高程1 772.6 m左右;Ⅱ级阶地区地下水位埋深16.0 m左右,分布高程1 775.5 m左右。当正常蓄水位1 783 m时,饱水层厚度相应增大。向岸里为Ⅲ级阶地砂卵砾层,结构松散,强透水,有绕坝渗漏问题。

左岸坝基部位覆盖层厚13 m～21 m,组成物质为冲、洪积砂卵砾石及含碎石土,上覆砂壤土层厚2 m～5 m,根据试验成果和地层特点,坝基土物质组成和工程特性变化较大,需采取防渗处理。

当正常蓄水位1 783 m时,饱水层厚度相应增大。向岸里为Ⅲ级阶地砂卵砾层,结构松散,强透水,有绕坝渗漏问题。因此两岸进行防渗处理。防渗处理措施为高压旋喷防渗墙。

1.2 防渗措施及初步设计

挡水建筑物布置从左至右有:左副坝(土工膜心墙砂砾石坝)、安装间、河滩厂房、3孔泄洪闸及右挡水坝(土工膜心墙砂砾石坝)。挡水坝为复合土工膜防渗心墙土砂砾石坝;坝体上游坝坡为1∶2.5,下游坝坡为1∶1.6,坝顶宽8.0 m,最大坝高25.5 m,坝基最大宽度111.17 m。土坝在坝体中心线上布置一道防渗复合土工膜并与设置在坝基处的混凝土防渗墙相接。防渗墙伸入基岩1.5 m,防渗墙向两岸延伸暂按100 m考虑。

正常蓄水位1 783.0 m、死水位1 782.0 m、正常蓄水位时下游水位1 771.04 m、4台机满发时下游水位1 773.17 m、洪积块砂卵砾石层允许渗透坡降0.12～0.15、冲洪积砂卵砾石层允许渗透坡降0.15～0.18。

2 计算模型及计算方案设计

2.1 计算模型

渗流计算均采用笛卡儿直角坐标系,以横河向为x轴,指向左岸为正向;以顺河向为z轴,指向下游为正向;以垂直向为 y轴,垂直向上为正。计算坐标原点选取在工程坐标(0,1742,0)处。

计算区域:上游边界为坝轴线以上360 m,左岸边界为左岸坝肩以左200 m,右岸边界为右岸坝肩以右200 m,下游边界为坝轴线以下334.5 m,基坑边界为坝基以下50 m(至高程1 692 m)。在此范围内进行三维数值计算模拟,围堰渗流计算模型与坐标系如图1所示。

图1 渗流计算模型

上、下游围堰计算区域内共涉及到8种材料,在模型中分别用不同的颜色表示,它们分别为:防渗墙,帷幕灌浆,覆盖层Ⅰ,覆盖层Ⅱ,基岩,厂房坝段,左右副坝坝体,复合防渗体。计算模型材料统计列于表1。

表1 渗流与稳定计算参数

2.2 边界条件及计算工况

2.2.1 边界条件

计算中采用八面体等参数单元网格,为保证计算的精度,网格的长宽比控制在2∶1之内。对防渗墙,复合防渗体等关键区域的网格进行了加密,防渗墙网格单元控制在0.4 m×0.6 m以内,复合防渗体网格单元控制在0.3 m×0.4 m以内。对其它区域的网格尺寸进行了适当的放大。整个模型共划分出节点数146 492个,单元数为134 092个。

河道内全部为指定水头边界条件,其中上游水头高度正常蓄水位1 783.0 m、死水位1 782.0 m,下游水头高度 1 771.04 m(4台机满发时下游水位1 773.17 m)。

模型底部为不透水边界。

根据两岸山体与阶地的排渗条件决定两岸山体与阶地的渗透边界条件。

若在平水期两岸水位高于河水位,渗流边界条件为由两岸向河床补给;蓄水后,渗流边界条件为由河床向两岸补给。由于水位相差不大,考虑到模型范围较大,计算模型两岸范围内的水力梯度变化范围不大的事实,计算中模型的左右两侧设为不透水边界。

2.2.2 计算工况

根据该水电站工程上坝址上坝线工况,大坝右岸为覆盖层,右岸防渗帷幕与坝轴线平行,渗透水流自上游河床先绕渗到防渗帷幕右侧后,再渗到下游河床,渗流路径为防渗帷幕的两倍长度;而大坝左岸防渗帷幕与河床水流方向平行,渗透水流自上游河床顺防渗帷幕左侧直接渗到下游河床,渗流路径与防渗帷幕长度相当。为使防渗效果达到最佳而又经济投入最小,经过仔细研究,提出了按左右岸单位面积的最大渗流量(或渗流速度)相等的原则来确定左右岸防渗帷幕的长度。按此方法,建议左岸防渗帷幕的长度始终设为右岸防渗帷幕长度的两倍。计算中共分以下工况进行:

坝前正常蓄水位1 783.0 m,下游正常蓄水位水头高度1 771.04 m,工况1:右岸坝肩防渗墙长度50 m,左岸坝肩防渗墙长度加倍;工况2:右岸坝肩防渗墙长度75 m,左岸坝肩防渗墙长度加倍;工况3:右岸坝肩防渗墙长度100 m,左岸坝肩防渗墙长度加倍;工况4:右岸坝肩防渗墙长度125 m,左岸坝肩防渗墙长度加倍;工况5:右岸坝肩防渗墙长度150 m,左岸坝肩防渗墙长度加倍;工况6:右岸坝肩防渗墙长度100 m,左岸坝肩防渗墙长度125 m;工况7:右岸坝肩防渗墙长度100 m,左岸坝肩防渗墙长度150 m;工况8:右岸坝肩防渗墙长度100 m,左岸坝肩防渗墙长度175 m。

所有计算均在Seep3D下进行,计算采用稳定渗流理论。

3 计算结果分析

3.1 右坝肩防渗墙优化长度分析

根据渗流计算结果,按工况分别整理了总水头云图及关键部位的渗流特征值曲线。限于篇幅在此仅列出右岸坝肩50 m防渗墙,左岸100 m防渗墙工况的总水头等值线和1 760 m高程水头等值线图,详见图2(a)～2(b)。

图2 渗流结果

从图2(a)～2(b)可知,左侧由于防渗墙较长,所以渗透路径相对右岸长,在图中表现为水头等值线和云图密集;坝体处等值线密集,往两侧延出,弯向下游,说明坝体防渗措施得力,防渗墙两侧头部等值线最密集,该处最容易发生流土或者管涌破坏,说明该部位水力坡降必须满足设计允许值,否则还应继续延伸防渗墙,直到墙体和自然坡体材料的水力坡降均满足允许值。

从图3(a)可知,坝轴线以下河床的渗漏量＜左岸山体绕坝渗流量＜右岸山体绕坝渗流量,随着两侧防渗墙的延伸,渗漏量单调递减,在右岸防渗墙长度100 m以后,渗漏量递减幅度减小;从图3(b)可知,右岸渗流出口、左岸渗流出口、右岸防渗墙位置的水力梯度都是随着防渗墙长度的增加单调递减的,左岸防渗墙位置的水力梯度则是随着防渗墙长度的增加单调递增的,说明随着右岸防渗特性的改善,左岸防渗压力增加。左右岸防渗墙长度需要寻找一个平衡点。从图3(c)～图3(d)可知,渗流速度是随着防渗墙长度的增加单调递减的,防渗墙端部的水头值也是随着防渗墙的长度递减的。

综合以上分析,再结合覆盖层的允许水力坡降0.12～0.15的要求,则右岸防渗墙长度在100 m后可满足要求,该工况下防渗墙的允许水力坡降也满足要求。

图3 各计算工况堰体最高水头高程、监测流量、出渗口流速、坡降曲线

3.2 左坝肩防渗墙优化长度分析

在确定了右岸防渗墙的长度后,需要对左岸的防渗墙长度也进行优化设计,在此基础上,设计了左岸125m、150m、175 m长度防渗墙的渗流分析,结果整理成图4。

图4 各计算工况堰体最高水头高程、监测流量、出渗口流速、坡降曲线

从图4(a)可知,坝轴线以下河床的渗漏量＜左岸山体绕坝渗流量＜右岸山体绕坝渗流量,随着两侧防渗墙的延伸,渗漏量单调递减;从图4(b)可知,右岸渗流出口、左岸渗流出口、右岸防渗墙位置的水力梯度都是随着防渗墙长度的增加单调递减的,左岸防渗墙位置的水力梯度则是随着防渗墙长度的增加单调递增的。

从图4(c)～图4(d)可知,渗流速度是随着防渗墙长度的增加单调递减的,防渗墙端部的水头值也是随着防渗墙的长度递减的。整体规律与右岸的类似。

综合以上分析,再结合覆盖层的允许水力坡降0.12～0.15的要求,则左岸防渗墙长度在150 m后可满足要求,该工况下防渗墙的允许水力坡降也满足要求。

4 结论与建议

根据设计的右岸防渗墙长度50 m、75 m、100 m、125 m、150 m,左岸防渗墙长度是其两倍等5种计算工况渗流场分析,发现不同部位的渗漏量、渗流速度和水头值均随着防渗墙的延伸单调递减,右岸防渗墙长度100 m时,满足防渗设计要求。

在右岸防渗墙长度100 m时,模拟了左岸防渗墙长度125 m、150 m、175 m等3种计算工况的渗流场分析,发现不同部位的渗漏量、渗流速度和水头值均随着防渗墙的延伸单调递减,左岸防渗墙长度150 m时,可满足防渗设计要求。

[1] 毛昶熙.渗流数值计算与程序应用[M].南京:河海大学出版社,1999.

[2] 郑秀培.土石坝地基混凝土防渗墙设计与计算[M].北京:水利电力出版社,1979:70-76.

[3] 毛昶熙.堤防渗流与防冲[M].北京:中国水利水电出版社,2003.

[4] 白永年.中国堤坝防渗加固新技术[M].北京:中国水利水电出版社,2001.

[5] 孔祥言.高等渗流力学[M].合肥:中国科学技术大学出版社,1999.

[6] 毛昶熙.渗流计算分析与控制[M].北京:中国水利水电出版社,2003.

[7] 张家发,吴昌瑜,李胜常,等.堤防加固工程中防渗墙的防渗效果及应用条件研究[J].长江科学院院报,2001,18(5):56-60.

[8] 张家发,吴昌瑜,朱国胜.堤基渗透变形扩展过程及悬挂式防渗墙控制作用的试验模拟[J].水利学报,2002,33(9):108-111.

[9] 刘川顺,刘祖德,王长德.冲积地基堤防垂直防渗方案研究[J].岩石力学与工程学报,2002,21(3):434-438.

[10] 毛昶熙,段祥宝,蔡金傍,等.悬挂式防渗墙控制管涌发展的试验研究[J].水利学报,2005,36(1):42-50.

[11] 王恩志,鲁歧峰,孙雄.软基重力坝防渗帷幕优化设计分析[J].水利水电技术,1999,30(12):25-26.

[12] 谢红强,何江达.紫坪铺水利工程右岸三维渗流场特性研究[J].四川大学学报,2001,33(6):10-13.

[13] 沈振中,张 鑫,陆希,等.西藏老虎嘴水电站左岸渗流控制优化[J].水利学报,2006,37(10):1230-1234.