心墻土石壩滲流計(jì)算分析

心墻土石壩滲流計(jì)算分析

土石壩的心墻是水庫的防滲透部分，主要是水庫的運(yùn)行過程中的防洪。水庫的穩(wěn)定性主要取決于上下水庫的外殼。在土石壩的設(shè)計(jì)中，由于上下水庫的穩(wěn)定試驗(yàn)需要，設(shè)計(jì)師通常只注意下游水庫的潤直位置。事實(shí)上，土石壩中央墻的潤直位置，尤其是潤直線的末端位置，對于山地峽谷的超級高壩工程來說，國內(nèi)外還沒有基于厚度大于50m的深層覆蓋層基數(shù)建壩，但在國外，很少有在高山峽谷內(nèi)建設(shè)300m級心墻堆石壩的項(xiàng)目。因此，在高山峽谷區(qū)有一個非常重要的高壩，需要對其進(jìn)行滲透計(jì)算和分析。因此，心墻的設(shè)計(jì)是一個重要的問題。結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際情況，對不同心墻的體積進(jìn)行計(jì)算和分析，以研究滲透場的分布和自由發(fā)揮，為技術(shù)和理論支持下壩的建設(shè)和運(yùn)營提供必要的技術(shù)和理論支持，確保壩的建設(shè)和運(yùn)營安全，為未來中國類似工程的設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)和參考。1地層及地震地質(zhì)條件某工程擬建于大渡河流域上,是大渡河流域上水電梯級開發(fā)的上游控制性水庫,是大渡河流域水電梯級開發(fā)的關(guān)鍵性工程之一.壩址處控制流域面積39330km2,年徑流量166億m3,多年平均流量527m3/s.壩址區(qū)河谷屬高山深切曲流河谷,出露地層巖性主要為燕山早期木足渡似斑狀黑云鉀長花崗巖和晚期可爾因二云二長花崗巖,地震基本烈度為7度;河床覆蓋層深厚(最厚約67.8m);壩址區(qū)無區(qū)域性斷裂切割.攔河大壩采用礫石土心墻堆石壩,礫石土心墻堆石壩壩頂高程2508.00m,壩頂長度約642m.河床部位心墻底高程2202.00m,最大壩高312m(含6m厚基座),壩頂寬度16.00m.上游壩坡為1∶2.0,下游壩坡1∶1.90.心墻頂高程2508.00m,寬4.00m,與防浪墻進(jìn)行可靠連接,并高于最高靜水位(2504.51m);心墻上、下游坡均初選為1∶0.2,心墻底部與新鮮基巖相連,最大斷面心墻底高程2202.00m,順河向?qū)挾葹?28.00m.2模型選取和邊界條件計(jì)算模型所選剖面為大壩的最大橫剖面,如圖1所示,計(jì)算模型包括上下游堆石體、上下游過濾層、上下游反慮層、心墻、上下游覆蓋層9個材料區(qū),計(jì)算模型坐標(biāo)分別為X軸順河指向下游為正,Y軸沿壩高鉛直向上為正,計(jì)算選取范圍分別為:水平方向自距上游壩坡300m處至距下游壩坡300m處,鉛直方向自壩頂至基巖面;邊界條件:上下游坡面為水頭邊界,AB、CD為默認(rèn)不透水邊界,BC為基巖不透水邊界;圖2所示是心墻上、下游坡均初選為1∶0.2的網(wǎng)格圖,其剖分為7662個節(jié)點(diǎn),9211個單元.3壩體材料滲透結(jié)構(gòu)及計(jì)算網(wǎng)格壩體材料參數(shù)見表1,水庫特征水位:正常蓄水位為304m,下游水位55.21m;固定上下游水位,固定心墻高度,不改變壩體材料滲透參數(shù),分別取心墻上、下游坡均為1∶0.1、1∶0.15、1∶0.2、1∶0.25和1∶0.3五種工況來對大壩進(jìn)行穩(wěn)定滲流計(jì)算,計(jì)算限于篇幅,僅列出了工況3(工程初選的心墻上、下游坡均為1∶0.2)的計(jì)算網(wǎng)格圖如圖2所示.3.1結(jié)果表明，穩(wěn)定流度計(jì)算的結(jié)果3.1.1心墻內(nèi)壓力東南角水壓力圖3～7顯示了不同工況下的壓力水頭等值線圖(線上數(shù)值為壓力水頭值,粗線為浸潤線),從圖中可以看出:由于心墻材料滲透系數(shù)和其他各區(qū)滲透系數(shù)相差較大,水頭相當(dāng)于直接作用在心墻上,心墻內(nèi)的水壓力分布較密、較陡,近似斜直線分布,心墻前面的壓力水頭線趨近于水平;浸潤線隨心墻體積的增加逐漸離開心墻下游邊坡,其中工況1中的浸潤線緊貼心墻下游邊坡,說明水流較易穿過心墻向下游流動,起不到很好的防滲效果,給大壩的穩(wěn)定帶來不安全因素.工況5中,由于心墻體積增大,滲徑增加,水流較難穿過心墻,防滲效果較其他工況顯著,但可能增加造價,故心墻的設(shè)計(jì)和施工需根據(jù)工程的實(shí)際情況而定.3.1.2心墻下游坡積分變化通過計(jì)算得出不同工況下心墻下游坡逸出高度、滲漏量、滲透坡降變化值見表2,不同工況下心墻下游坡逸出高度變化圖如圖8所示,不同工況心墻滲流量和水平坡降變化圖如圖9所示.從表2、圖8和圖9可以看出:隨著心墻體積的增加,心墻下游坡的逸出高度、滲流量、水平坡降均呈單調(diào)變化,即越來越小.其中,心墻下游坡的逸出高度在56～57.5m之間變化,其變化幅度不大;滲流量在3～8m3/d之間變化,其變化幅度較大,由于心墻較薄,更多的水流將穿過心墻,故工況1時為最大,工況2次之,因此,要想保持壩體穩(wěn)定,必須做好防滲措施,若心墻較薄,其施工難度較大,危險系數(shù)較大.水平坡降則在0.7～2之間變化,變化幅度也相對較大,其中由于工況1心墻體積小,減小了滲徑長度,造成坡降增大為1.945,工況3～工況5中,其值相對較小,變化也較平穩(wěn),因此,要想控制坡降在較小范圍內(nèi),保證心墻下游坡的穩(wěn)定,心墻不宜過薄,同時做好排水設(shè)施.3.2壩體內(nèi)部流場滲流分析對于非穩(wěn)定滲流,土體的滲透系數(shù)、給水度和水庫水位下降速度都影響著滲流自由面的變化.給水度μ是僅次于滲透系數(shù)k的決定滲流自由面下降速度的主要因素,μ愈大,自由面下降速度越漫,同時流場內(nèi)部水頭的消散也慢,不利于壩坡的穩(wěn)定,其取值通常采用南京水科院和瑞士工學(xué)研究所試驗(yàn)資料擬合公式式中,n為孔隙率,文章計(jì)算取心墻的孔隙率n=0.227,k為滲透系數(shù),cm/s.假設(shè)上游水位每天以2m/d的速度從正常水位下降至死水位,保持下游水位不變,來對大壩進(jìn)行非穩(wěn)定滲流計(jì)算,工況見表3,計(jì)算時步見表4.3.2.1心墻內(nèi)自由面為硬、穩(wěn)定需要時間從圖10～14可以看出,庫水位下降浸潤線也下降,心墻上游壩殼浸潤線下降幾乎和水位下降同步,比較平緩;下游壩殼中的自由面基本與下游水位保持在同一水位,由于壩殼和心墻的滲透系數(shù)相差很大,心墻滲透系數(shù)很小,心墻內(nèi)自由面的下降變化很陡,自由面變化很慢,但無論哪種工況的心墻體積,心墻內(nèi)自由面的變化都很相似,自由面都是向下彎曲的;隨著心墻體積的增大,自由面下降速度越慢,自由面變化到穩(wěn)定需要時間越長,比如:工況1中(見圖10)的自由面趨于穩(wěn)定時間約為109d(第13個時步),而工況5中(見圖14)則需要669d(第16個時步);同時,由于非飽和區(qū)域的影響,心墻內(nèi)自由面附近土體逐漸釋水,心墻內(nèi)的滲透水來不及消散,故心墻內(nèi)浸潤線下降便嚴(yán)重滯后水庫水位下降,這時心墻內(nèi)的孔隙水排出時產(chǎn)生了順坡向的滲流動水壓力將影響壩坡的穩(wěn)定,應(yīng)該注意其防護(hù)工作.尤其在較薄心墻壩中,心墻內(nèi)的孔隙水壓力一直都很高,滲流坡降較大,這時更應(yīng)該重視心墻的邊坡穩(wěn)定.(注:圖中數(shù)字代表時步數(shù),粗線條為浸潤線).4心墻內(nèi)自由面的變化(1)在穩(wěn)定滲流中,心墻越薄,滲流量、心墻下游逸出高度和滲透坡降越大,說明水流較容易穿過心墻向下游流動,防滲效果差,給大壩的穩(wěn)定帶來不安全影響,且其施工難度較大,危險系數(shù)較大.若心墻越厚,雖然防滲效果較為顯著,但可能增加造價.故要想保持壩體穩(wěn)定安全運(yùn)行,又要經(jīng)濟(jì)建壩,必須做好防滲措施,心墻的設(shè)計(jì)和施工則需根據(jù)工程的實(shí)際情況而定.(2)在非穩(wěn)定滲流中,無論處于哪種工況,其浸潤線均有相似變化,隨庫水位下降而下降,心墻上游壩殼浸潤線幾乎和水位同步下降;由于心墻滲透系數(shù)很小,水主要滯留在心墻內(nèi),心墻內(nèi)自由面的下降變化較陡;下游壩殼自由面與下游水位基本保持同一水位.隨著心墻