混凝土面板堆石坝垂直缝止水劣化过程量水堰监测分析

章宇璟,郑东健,阮洪松,吴金荣

(1.江西省水利规划设计研究院,江西 南昌 330029; 2.江西省水工结构工程技术中心,江西 南昌 330029;3.河海大学水利水电学院,江苏 南京 210098; 4.闽东水电开发有限公司,福建 宁德 352000)

混凝土面板堆石坝由于其具有工期短、投资省、安全性好、适应性强等优点[1],逐渐受到工程界欢迎。面板堆石坝是以堆石作为主要支撑材料,以钢筋混凝土面板作为传递水压力和防渗的土石坝坝型[2]。堆石区主要通过人工或机械碾压而成,面板堆石坝的防渗体系主要由上游面板、趾板和防渗帷幕构成[2]。由于面板堆石坝结构及施工方法等原因,面板上设置垂直缝、水平缝等[3],这些面板缝的设置主要为了使面板易于伸缩以适应温度应力及主堆石区沉降引起的变形[4],避免面板裂缝的产生[5-6]。这些接缝止水若不满足要求而发生劣化,将影响大坝正常运行,严重情况下会导致垫层、过渡层发生渗透变形,危及坝体安全[7]。自1895年美国建成54 m高的Morena混凝土面板堆石坝至今[8],由于面板堆石坝防渗体系破坏导致的事故不在少数。鉴于混凝土面板堆石坝防渗体系的重要性,对面板接缝止水的研究成为一个重要的课题,盛金宝等[9]研究了面板与高挡墙底板间接缝止水劣化后面板坝的渗流变化规律;丁留谦等[10]对自愈型止水结构进行了研究;卢廷浩等[11]采用有限元方法模拟垂直缝失效后渗流,结果表明面板失效缝附近渗流偏离达西定律。前人在面板接缝止水劣化情况下渗流规律的研究中,对量水堰测值变化规律与面板接缝止水状态之间的关系认识不足。本文以某面板堆石坝为例,采用有限元计算方法,分析混凝土面板堆石坝垂直缝止水劣化对坝后量水堰测值的影响,建立渗透坡降与量水堰测值的关系曲线,可为应用量水堰测值反映大坝渗流安全提供基础参考。

1 渗流三维有限元分析原理

水电站工程区地质条件复杂,为了达到防渗的目的,在坝基和两岸山体均布置了防渗帷幕,以减少渗透流量,因此地下渗流场十分复杂[12-15]。在复杂的地质条件和渗控系统下,计算域内的渗流场具有以下显著的特点:①坝体及坝基构成一空间整体结构,其渗流场具有较强的三维流动特点[16];②坝体及两岸山体渗流具有形态复杂的自由面,它既是求解渗流问题中必不可少的一个边界,同时又是一个需要求解的未知边界。鉴于上述特点,对于实际工程三维渗流问题研究的关键在于解决具有自由面渗流场的模拟求解方法。对不可压缩流体,连续方程为[17-18]

(1)

式中:vx、vy、vz分别为沿x、y、z方向的流速。

根据达西定律,稳定渗流的微分方程为[19]

(2)

式中:h为水头函数;kxx、kxy、kxz分别为沿x方向的主渗透系数kx在x、y、z方向上的投影;kyx、kyy、kyz分别为沿y方向的主渗透系数ky在x、y、z方向上的投影;kzx、kzy、kzz分别为沿z方向的主渗透系数kz在x、y、z方向上的投影。

当边界上的水头已知时,边界条件为[20-22]

h(x,y,z)Γ1=f(x,y,z)

(3)

式中:f(x,y,z)为已知水头;Γ1为渗流区域边界面。

当边界上的法向流速vn已知时,边界条件为

(4)

考虑到各向异性,式(4)可以写为

(5)

式中:q0为已知流量;n为Γ2的外法线向量;k为渗透系数;Γ2为第二类边界条件。

2 实例分析

2.1 工程概况

某水电站大坝为面板堆石坝,校核洪水位(P=0.02%,其中P为洪水频率)为366.93 m,设计洪水位(P=0.5%)为365.04 m,正常蓄水位为365.00 m。水电站量水堰设在距大坝下游坝趾30 m处,设左、右两个90°角的三角堰,量水堰截水墙墙顶高程约为284.00 m。

2.2 有限元模型及参数

该水电站工程区渗流三维有限元模型如图1所示,计算模型沿坝轴线方向的长度为391 m,顺河向的长度为466 m。模型在坝体四周分别取超出一倍坝高的区域作为岩体及地基,包括了可影响计算域渗流场的主要边界范围。该有限元模型主要模拟了面板、垂直缝、垫层、过渡层、主堆石区、次堆石区、周边缝、趾板、帷幕、挡墙、量水堰、岩体等。模型主要采用六面体八节点单元,并辅以三棱柱单元,共有110 197个单元,117 091个节点。

图1 该混凝土面板堆石坝渗流三维有限元模型

根据设计资料,面板渗透系数取为1×10-10m/s,垫层渗透系数取为1.5×10-5m/s,过渡层渗透系数取为5×10-4m/s,主堆石区渗透系数取为4×10-3m/s,次堆石区渗透系数取为0.04 m/s,趾板渗透系数取为1×10-10m/s,帷幕渗透系数取为1.5×10-7m/s,岩体渗透系数取为3×10-7m/s。

2.3 计算工况

该水电站工程区渗流场的模拟中,分析区域基础底边界、上下游截取边界取为不透水边界,分析区域上游水位取正常蓄水位365.00 m,下游水位取284.00 m,上下游水位以下的坝面及河床均视为已知边界,量水堰外取0孔压边界。左右岸边界依照地下水位取为地下水水头边界。坝体下游河床水位以上、左右两岸截取边界水位以下部分地表,均视为可能溢出边界,需经有限元软件迭代计算后确定真正溢出区域。

在该三维有限元模型的基础上,在LL4、LL5面板之间以及LL0、LL1面板之间设置一排宽度为12 mm的单元用来模拟垂直缝。并将LL0和LL1面板之间垂直缝按高程分为三等分,其中高程276～305.2 m之间为下部缝、高程305.2 ～334.5 m之间为中部缝、高程334.5～363.7 m之间为上部缝。为了分析不同位置、不同高程面板垂直缝止水发生不同程度劣化时,通过面板渗漏量、量水堰测得渗漏量及渗透坡降的变化规律,探究量水堰测值能否反映面板垂直缝止水劣化,拟定渗流计算工况如下:

a. 正常工况。根据埋设在垂直缝内测缝计实测资料,得出正常运行情况下面板垂直缝开度,计算出垂直缝渗透系数,模拟正常工况下渗流情况。

b. 面板垂直缝止水劣化工况。通过分别增大LL4和LL5面板之间、LL0和LL1面板之间垂直缝单元及上部缝、中部缝、下部缝单元的渗透系数(由混凝土完好情况下渗透系数逐渐增大至1×10-4m/s),模拟面板左岸垂直缝、中间垂直缝及不同高程的中间垂直缝止水劣化过程中的渗流。

2.4 计算结果与分析

2.4.1正常工况

由布置在该面板堆石坝垂直缝内测缝计监测资料可知,从2012年4月6日至2015年12月24日,面板垂直缝开度随水位、温度发生变化,变化范围在-2.38～7.30 mm之间(张开为正,闭合为负)。裂隙开度与水力传导系数的关系式为[19]

(6)

式中:kf为水力传导系数;g为重力加速度;β为裂隙的连续性系数(裂隙的张开面积与总面积之比),取为6.005×10-4;b为裂隙平均张开度,取为-2.38～7.30 mm;ν为水的运动黏滞系数,取为1.029 9×10-6kPa·s;c为决定于裂隙相对粗糙度的系数,取为0.5。

将上述各水力系数代入式(6)中计算可得,正常运行情况下垂直缝渗透系数在5.40×10-9～5.08×10-8m/s范围内。经ABAQUS软件进行有限元计算得出,正常工况下,通过面板渗漏量在0.62 L/s左右,量水堰测值在4.53 L/s左右。垫层渗透坡降为0.520,过渡层渗透坡降为0.117,主堆石区渗透坡降为0.018,次堆石区渗透坡降为0.008。浸润线在面板内急剧下降,之后几乎保持水平,表明面板具有较好的防渗性能。

2.4.2面板垂直缝止水劣化工况

2.4.2.1 渗透坡降和浸润面

通过ABAQUS软件对垂直缝止水劣化过程进行渗流计算,计算垫层区、过渡层区最大渗透坡降。由于篇幅限制,只列出面板中间垂直缝止水劣化计算结果,图2显示了渗透坡降随垂直缝渗透系数变化曲线,图3给出了渗透坡降随量水堰测值变化曲线。

图2 渗透坡降随垂直缝渗透系数变化曲线

图3 渗透坡降随量水堰测值变化曲线

由图2可知,当垂直缝渗透系数大于5×10-5m/s时,垫层区渗透坡降超出允许值,垫层区可能发生渗透变形,危及坝体安全。为了能够更详细反映出由于垂直缝止水劣化导致坝体发生渗透破坏,在垂直缝渗透系数为5×10-5m/s、垫层区渗透坡降为3.094的基础上,模拟LL0和LL1面板之间垂直缝由高程368 m至高程374.2 m止水继续劣化,直至垂直缝渗透系数为1×10-4m/s。

由图2和图3对比可以看出,随渗透系数增大,垫层区、过渡层区最大渗透坡降逐渐增大,量水堰测值也逐渐增大。量水堰测值能够反映出垫层区是否发生渗漏破坏,当垫层渗透坡降为3.094时,量水堰测值为6.88 L/s。因此,在长期无降雨情况下,若量水堰测值超出6.88 L/s,应当加以重视,及时检查,防止发生渗漏破坏。

图4 面板破坏情况下浸润面分布

由图4可知,相较于左岸垂直缝止水劣化,面板中间垂直缝止水劣化时浸润面上升范围较高,表明面板中间垂直缝止水劣化对渗流场影响较大。从面板中间垂直缝不同高程止水劣化对浸润面的影响可以看出,下部缝止水劣化时浸润面最高,上部缝止水劣化时浸润面最低,说明随止水劣化深度增加,止水劣化对渗流场影响逐渐增大。

2.4.2.2 渗漏量

对垂直缝止水劣化过程进行模拟,计算出不同劣化情况下的渗漏量。图5显示了不同部位面板垂直缝止水劣化对量水堰测值和通过面板渗漏量的影响。

由计算结果可知,随面板垂直缝止水劣化,垂直缝渗透系数逐渐增大,当垂直缝渗透系数小于垫层渗透系数1.5×10-5m/s时,通过面板渗漏量及量水堰测值基本保持不变(图5);当垂直缝渗透系数大于垫层渗透系数1.5×10-5m/s后,通过面板渗漏量增大较为明显,同时量水堰能够测出渗漏量的增大。由量水堰测值及通过面板渗漏量的比较可知,量水堰不能完全测出通过面板的渗漏量。由面板左岸垂直缝和面板中间垂直缝止水劣化的计算结果的比较可知,面板中间垂直缝止水劣化时引起渗漏量变化更为显著。由面板中间垂直缝不同高程止水劣化的计算结果比较可知,随高程降低,垂直缝止水劣化引起的渗漏量增大更为明显。因此可以判断面板中间垂直缝止水劣化较面板左岸垂直缝止水劣化对渗漏量影响更大,面板下部垂直缝止水劣化较面板上部和中部垂直缝止水劣化对渗漏量影响更大。

3 结 论

a. 随面板止水劣化,面板中间垂直缝较面板左岸垂直缝引起的渗漏量更大、浸润线上升更为明显;面板中间垂直缝随高程降低,引起的渗漏量增加、浸润线上升更为明显。

b. 当垂直缝渗透系数大于垫层渗透系数时,垫层区最大渗透坡降超出允许值,垫层区可能发生渗透变形,导致渗透破坏。通过建立渗透坡降与量水堰测值关系,可以由量水堰测值及时反映垫层区渗流规律。在长期无降雨情况下,若量水堰测值超出垫层发生渗透破坏时对应的量水堰测值时,应当加以重视,及时检查,避免发生渗漏破坏,保持坝体渗流安全。