基于有限元法的均质土坝渗流安全评价分析与应用

刘书军

(重庆交通职业学院,重庆 402247)

有限元法广泛应用于空间结构、板壳结构[1-3],近年来随其理论的成熟,其应用范围也推展到水利工程中[4-5]。

1 工程概况

新民水库坝址位于长江水系桃花溪油房沟支流,全流域控制集水面积363.8km2,河道全长72km,主河道平均比降5.1‰,河源高程720m,河口高程153m,全河道落差567m。新民水库为碾压土石坝,由主坝、副坝、溢洪坝、放水设施、附属设施组成。主坝为黏土均质坝,坝顶长度125m,顶宽4.0m,最大坝高18.6m,坝顶高程357.21m,正常蓄水位397.9m。贴坡排水高程为347.11m,顶宽1.5m。副坝坝顶高程为357.21m,坝顶宽4m,最大坝高6.89m,坝轴线长68.0m。

2 大坝渗流安全评价

2.1 计算断面

新民水库大坝主要建筑物为4级建筑物,采用有限元法计算该水坝(均质土坝)渗流情况,计算断面选择大坝最大坝高处坝体横断面作为渗流分析的典型断面(见图1和图2),采用河海大学Auto-bank7.0渗流分析计算软件[6]。

图1 主坝大坝横剖面 (尺寸单位:mm;高程单位:m)

图2 副坝大坝横剖面 (尺寸单位:mm;高程单位:m)

2.2 计算工况与参数

大坝渗流计算工况应为水库运用期可能遇到的工作条件,结合大坝实际运行情况[7],设定计算工况见表1。

表1 大坝渗流计算工况

以对坝体土样及坝基岩样进行试验为基础,得到坝体及坝基岩体物理力学指标,见表2和表3。

表2 坝体填料计算参数

表3 坝基岩体计算参数

根据已成工程类比取用渗透系数[8],稳定渗流期渗透系数的大值平均值计算,非稳定渗流期渗透系数的小值平均值计算。透水率与渗透系数之间按经验公式K=q×1.5×10-5cm/s进行换算。坝体材料渗透系数见表4。

表4 坝体材料渗透系数

2.3 渗流计算成果

本次水库渗流计算采用与2008年水库除险加固设计一致的假设高程系统[9],该假设高程系统与85高程系统的转换关系为:假设高程-43.29m=85高程。

2.3.1 主坝计算成果

经有限元法计算分析并成图,大坝在各种工况下的渗流计算成果见图3～图7。

图3 大坝正常蓄水位工况渗流计算成果

图4 大坝设计洪水位工况渗流计算成果

图5 大坝校核洪水位工况渗流计算成果

图6 大坝正常蓄水位降落至死水位工况渗流计算成果

图7 大坝校核洪水位骤降至大坝正常蓄水位工况渗流计算成果

2.3.2 副坝计算成果

经有限元法计算分析并成图,大坝在各种工况下的渗流计算成果见图8～图12。

图8 大坝正常蓄水位工况渗流计算成果

图9 大坝设计洪水位工况渗流计算成果

图10 大坝校核洪水位工况渗流计算成果

图11 大坝正常蓄水位降落至死水位工况渗流计算成果

图12 大坝校核洪水位骤降至大坝正常蓄水位工况渗流计算成果

2.3.3 计算成果

根据上述计算方法和理论、计算参数及计算工况,进行渗流计算,渗流计算成果见表5和表6。

表5 水库主坝渗流计算成果

表6 水库副坝渗流计算成果

2.4 渗流分析

a.采用《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)推荐的土体渗透变形判别公式:

式中:PC为土的细粒颗粒含量,以质量百分率计,%;n为土的孔隙率,取37.9%。

本水库大坝施工时利用附近土料填筑,填筑料级配连续。结合同期施工附近水库工程筛分实验成果[10],PC值均大于50%,高于临界值,可判定本水库大坝渗透破坏类型为流土。

流土临界水力比降采用《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)推荐的方法确定:

Jcr=(Δ-1)(1-n)

式中:Δ为土粒比重,Δ=2.72;n为土的孔隙率,取37.9%。

流土临界水力比降Jcr=1.068。

允许水力比降计算方法:

式中:KB为流土安全系数,此处采用1.5。

根据上式计算出允许水力比降[J]为0.712。

计算得到的大坝最大渗透比降为0.323,小于发生流土的允许比降,满足规范要求。

b.主坝坝体单宽渗流量介于1.45×10-6～1.61×10-6m3/(s·m)之间,坝体属于弱透水级,合0.13～0.14m3/(d·m),以大坝均长125m计,大坝日渗漏量为15.66～17.39m3。副坝坝体单宽渗流量介于5.98×10-7～8.12×10-7m3/(s·m)之间,坝体属于弱透水级,合0.05～0.07m3/(d·m),以大坝均长68m计,大坝日渗漏量为3.51～4.77m3。总计日渗漏量为19.17～22.16m3。

大坝最大出逸比降为0.323,小于允许水力比降0.712,大坝不可能发生流土破坏,出逸高度处于合理范围内。

综上所述,大坝不存在渗流破坏问题。

3 渗流安全评价结论

a.通过各工况的渗流计算,主坝坝体单宽渗流量介于1.45×10-6～1.61×10-6m3/(s·m)之间,副坝坝体单宽渗流量介于5.98×10-7～8.12×10-7m3/(s·m)之间,坝体属弱透水级,渗流量不会对水库蓄水造成功能性破坏。

b.大坝最大出逸比降为0.323,小于允许水力比降0.712,满足规范要求,不会发生渗透破坏。

c.溢洪道设置在主坝的右岸,边墙及底板衬砌结构完好,不存在渗流安全问题。

d.未发现放水设施存在渗漏现象,放水管无损坏,闸阀启闭正常,整体运行良好。

e.大坝反滤排水设施完善,大坝在运行过程中未见异常渗流现象。

依据《水库大坝安全评价导则》(SL 258—2017),该工程的渗流性态安全,评定新民水库大坝渗流安全等级为A级。