喀麦隆曼维莱水电站拦河坝渗流稳定分析计算

2017-11-13王朝江王立群刘国强

水利水电工程设计 2017年3期

关键词：土坝坝段堆石坝

周艳王朝江王立群刘国强

周艳王朝江王立群刘国强

曼维莱水电站拦河坝分为一期主坝(黏土心墙堆石坝)、二期主坝(均质土坝)和三期主坝(均质土坝)组成。重点介绍了拦河坝渗流和边坡稳定分析计算，为其他水利枢纽工程提供参考。

黏土心墙堆石坝均质土坝渗流计算边坡稳定

在曼维莱水电站详细初步设计阶段，充分考虑雨季降雨对土石坝坝体填筑进度及质量的影响并尽量减少土质防渗体的填筑量角度考虑，拦河主坝优先考虑并最终推荐采用了心墙堆石坝坝型。在工程开工以后，首先从拦河主坝一期坝段(采用黏土心墙堆石坝)的实际施工情况来看，工程区特殊的气候条件对防渗土料的填筑施工的影响可以通过优化施工措施等来尽量加以规避和降低，基于几个因素的考虑，二期和三期拦河主坝开始填筑施工之前，设计通过细致的分析计算和与工程师的耐心沟通交流，决定将剩余的二期和三期拦河主坝坝型由之前经工程师审查批复的心墙堆石坝优化调整为均质土坝坝型。

1 工程概况

首部枢纽拦河坝及泄水建筑物沿坝轴线从左至右依次为：左岸连接坝段、泄洪冲沙闸及主溢洪道、河心岛坝段、辅助溢洪道和右岸滩地及岸坡坝段。拦河坝及泄水建筑物枢纽坝顶高程为395.0 m，上游侧防浪墙顶高程为396.2 m，坝顶总长约1 800 m。其中一期坝段位于主溢洪道右侧，起止桩号MD1+691.911—MD0+962.5，坝型为黏土心墙堆石坝。二期坝段起止桩号MD0+438.283—MD0+962.5，坝型为均质土坝。三期坝段起止桩号MD0+000—MD0+332.283，采用均质土坝，其下左侧接辅助溢洪道。本文选取两个典型断面进行渗流稳定分析计算：(1)一期坝段黏土心墙堆石坝典型断面；(2)二期坝段均质土坝典型断面。

根据现场勘查和试验结果，一期拦河坝建基面全部清除上部粉细砂、黏质粉土层，以下部完整基岩为建基面。未发现有断层发育，仅有节理发育。二期拦河坝齿槽上、下游侧建基面全部清除上部粉细砂、黏质粉土层，以下部完整基岩为建基面。地基岩性以弱风化片麻岩(Pt1N)为主，局部夹辉绿岩岩脉或石英岩脉，未发现有断层发育，仅有节理发育。

2 计算原理

2.1 渗流分析原理

渗流分析理论公式是基于饱和与非饱和土体的渗流的达西定律。

对控制方程应用Calerki线性有限元法进行空间离散，将二维流动区域剖分为三角形或者四边形单元。然后采用隐式(向后)有限差分格式对时间积分，经迭代后生成线性方程组。根据线性方程组的特点和计算规模的大小，采用不同的数值解法。此外，为了提高求解效率设计了自动调整措施，如时间步长的自动调整、Courant数和Peclet数自检、采用迎风加权格式减少CDE方程求解的数值震荡问题等。

2.2 稳定分析原理

坝体稳定分析采用极限平衡法，极限平衡法是建立在摩尔-库仑强度准则基础上的，将滑动面上土体的抗剪强度参数(c'，φ')折减F倍后，此时滑动面上的土体强度满足摩尔-库仑强度准则，处于极限平衡状态，此时的F值就是边坡的安全系数。上述将强度指标的折减作为安全系数定义的方法是经过多年的实践被工程界广泛承认的一种做法。

3 计算分析

3.1 坝体渗流计算

坝体渗流计算各图层指标见表1、2。

根据规范要求，本文就以下工况进行计算：(1)上游正常蓄水位392.00 m与下游相应的最低水位；(2)上游校核水位392.50 m与下游相应的最低水位；(3)上游最高水位393.80 m与下游相应的最低水位；(4)库水位降落，上游水位由正常蓄水位下降至死水位；各种工况下游水位，由于无法知道其准确性，均按下游无水考虑。

表1 黏土心墙堆石坝渗流分析计算参数表

表2 均质土坝渗流分析计算参数表

计算分析选取坝的最高断面计算计算。计算模型上下游各取50 m，地基深度为40 m的计算范围进行分析，见图1、2。

图1 黏土心墙堆石坝计算模型简图

图2 均质土坝计算模型简图

通过有限元分析，各工况计算结果见表3、4。

表3 黏土心墙堆石坝各工况渗流结果统计表

表4 均质土坝各工况渗流结果统计表

各断面工况1计算的浸润线、等势线见图3、4。

图3 黏土心墙堆石坝工况1渗流计算结果图

3.2 坝体稳定计算

稳定计算主要依据渗流计算出的浸润线以及坝体材料和基础材料属性，采用刚体极限平衡法计算出不同工况下坝体上下游坡面的稳定系数。目的在于保证坝身与坝基在自重、各种情况的孔隙水压力和外荷载作用下，具有足够的稳定性 ,不致发生通过坝体和坝基的整体剪切破坏。计算选取最大坝高处断面。坝体稳定计算各图层指标见表5、6。

图4 均质土坝工况1渗流计算结果图

项目单位重量/(kN·m-3)有效应力参数总应力参数内摩擦角φ'/(°)黏聚力C'/kPa内摩擦角φ'/(°)黏聚力C'/kPa泊松比μ变性模量/kPa堆石料23.04004000.38000黏土心墙15.0182015250.33500基岩-弱风化27.540750407500.35×106反滤料20.03303200.34000排水层20.03303200.34000覆盖层-天然土层16.6231519200.32600

表6 均质土坝稳定分析计算参数表

根据规范要求，在结合坝的实际情况，本文针对以下6种工况进行计算：(1)完建工况下上下游边坡及坝基的稳定性；(2)正常蓄水位392.00 m稳定渗流期下的下游边坡及坝基的稳定性；(3)正常蓄水位392.00 m地震工况下的下游边坡及坝基的稳定性；(4)上游校核水位392.50 m下的下游边坡及坝基的稳定性；(5)上游最高水位393.80 m下的下游边坡及坝基的稳定性；(6)库水位降落，上游水位由正常蓄水位下降至死水位的上游边坡及坝基的稳定性；各种工况下游水位，由于无法知道其准确性，均按下游无水考虑。各工况计算结果见表7、8。