燕山水庫(kù)土石壩滲透比降三維有限元分析

燕山水庫(kù)土石壩滲透比降三維有限元分析

1主河槽段壩體滲流穩(wěn)定燕山水庫(kù)位于河南省葉縣李河上游的干河上?？刂泼娣e1699公里，總蓄水9.66億hm。大壩為黏土斜墻土石壩,最大壩高34.7m,壩頂高程117.8m。滲控系統(tǒng)主要由黏土斜墻、混凝土防滲墻、防滲帷幕、斜墻排水帶、壩基水平排水帶和壩基岸坡排水溝等構(gòu)成。地質(zhì)資料表明,河槽段壩基第四系卵石混合土層透水性較強(qiáng),其下部F100斷層破碎帶、影響帶和安山巖全、強(qiáng)風(fēng)化帶中軟弱易沖蝕物質(zhì)均可能在中等透水段產(chǎn)生滲透變形。主河槽段壩基的滲流穩(wěn)定成為控制壩體整體穩(wěn)定的主要因素。筆者建立了燕山水庫(kù)主河槽段的三維有限元模型,對(duì)不同工況下土石壩壩體、壩基滲流分布規(guī)律進(jìn)行了模擬。2三維分析的建模2.1水頭邊界條件根據(jù)達(dá)西定律和水流連續(xù)性方程,不考慮土體壓縮性時(shí),三維各向異性連續(xù)介質(zhì)穩(wěn)定流域Ω內(nèi)的水頭函數(shù)H滿足如下偏微分方程:??x(kx?H?x)+??y(ky?H?y)+??z(kz?H?z)=0(1)??x(kx?Η?x)+??y(ky?Η?y)+??z(kz?Η?z)=0(1)式中:H為總水頭;kx為x方向滲透系數(shù);ky為y方向滲透系數(shù);kz為z方向滲透系數(shù)。水頭邊界條件為H|Γ1=H1(x,y,z,t)(2)Η|Γ1=Η1(x,y,z,t)(2)流量邊界為?kn?H?n|Γ2=q(3)-kn?Η?n|Γ2=q(3)式中:Γ1為上下游及滲出面邊界之和;Γ2為不透水邊界、潛流邊界、補(bǔ)給邊界、自由面邊界等之和;n為Γ2的外法線方向;kn為n方向的滲透系數(shù)。對(duì)于無(wú)壓滲流的自由面邊界除應(yīng)滿足式(3)外,還需滿足:H=z(4)Η=z(4)2.2壩體結(jié)構(gòu)面為垂直方向的壩基開挖面順河床方向從上、下游壩腳分別向上、下游各取約2.5倍壩高,全長(zhǎng)386m。垂直方向取到壩基開挖面以下約1.5倍壩高處(高程35m處)。壩軸線方向全長(zhǎng)600m,左岸取到Ⅱ級(jí)階地前緣地帶樁號(hào)4+100處,右岸取至弱風(fēng)化安山巖樁號(hào)4+700處。2.3垂直邊界的設(shè)置右岸為弱風(fēng)化微—極微透水性安山巖,左邊界兩側(cè)地質(zhì)條件比較相近,不存在沿壩軸線方向的側(cè)向流動(dòng),因此將左、右岸垂直邊界設(shè)為不透水邊界,上、下游垂直邊界和迎水面設(shè)為已知水頭邊界,底邊界設(shè)為不透水邊界。各類介質(zhì)滲透系數(shù)見(jiàn)表1。2.4節(jié)點(diǎn)等六面體單元網(wǎng)格劃分應(yīng)用Geo-SlopeSeep3D程序進(jìn)行模擬計(jì)算。采用8節(jié)點(diǎn)等參六面體單元網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行離散,對(duì)主要的滲控措施處,如混凝土防滲墻、防滲帷幕和排水帶等,進(jìn)行網(wǎng)格加密。經(jīng)離散后的三維有限元模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)為42564個(gè),單元總數(shù)為38130個(gè)。3滲流對(duì)滲流的影響混凝土防滲墻是防滲處理措施中最有效的一種,但如果處理不當(dāng),容易在墻頂與黏土結(jié)合處和墻體內(nèi)部產(chǎn)生滲流破壞。此外,下游壩坡溢出處的滲透比降最能反映該樞紐滲控系統(tǒng)的防滲效果。因此,結(jié)合燕山水庫(kù)的實(shí)際防滲措施,主要對(duì)混凝土防滲墻頂與黏土防滲體結(jié)合處、混凝土防滲墻和防滲帷幕以及下游壩坡溢出處的滲透比降進(jìn)行分析。3.1水庫(kù)實(shí)際運(yùn)行情況分析為了驗(yàn)證數(shù)值模型能否準(zhǔn)確反映該壩區(qū)的地質(zhì)特征,邊界條件的設(shè)置和采用的各介質(zhì)滲流參數(shù)能否合理決定滲流模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,對(duì)2007年7月水庫(kù)蓄水工況進(jìn)行了滲流分析,并與同時(shí)期的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,見(jiàn)表2。蓄水期計(jì)算工況:上游水位100.96m(7月15日最高庫(kù)水位),下游水位83.8m。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為7月22日的數(shù)據(jù)(考慮滲流的時(shí)效性)。從表2可以看出,實(shí)測(cè)水頭和模擬計(jì)算水頭比較接近,相差值不超過(guò)0.3m,由此可以看出所建立的三維有限元模型符合實(shí)際情況,模擬計(jì)算結(jié)果能夠反映壩址區(qū)的實(shí)際滲流場(chǎng)。3.2．水利工程在下游水位上,設(shè)水位為下游水位,下游水位即設(shè)水位,下游水位即設(shè)水位,下游水位即為下游水位,下游水位即設(shè)水位,下游水位1.只進(jìn)行了穩(wěn)定滲流期的壩址區(qū)滲流場(chǎng)模擬,穩(wěn)定滲流期計(jì)算工況分為正常蓄水位(上游水位106m,下游水位85.09m)、防洪高水位(上游水位111.8m,下游水位85.09m)、設(shè)計(jì)水位(上游水位114.6m,下游水位93.19m)、校核水位(上游水位116.4m,下游水位93.99m)4種。(1)壩體浸漬線位置模擬了壩基有、無(wú)防滲措施條件下正常蓄水位的滲流場(chǎng)。結(jié)合斷面4+400在有、無(wú)防滲措施下的水頭等值線和浸潤(rùn)線分布圖(見(jiàn)圖1)及表3可以看出:壩基無(wú)防滲措施條件下,下游壩體的浸潤(rùn)線位置較高,壩體、壩基的水頭值也較大,并且消散較慢。壩坡逸出比降為0.13,而允許比降為0.10,Q4卵石混合土逸出比降為0.18,而允許比降為0.12,可見(jiàn)均超出了允許比降,將會(huì)發(fā)生滲透破壞,滲流穩(wěn)定不滿足要求。壩基有防滲措施條件下,下游壩體的浸潤(rùn)線位置基本與下游水位相同,壩體、壩基的水頭值消散較快,且壩坡、Q4卵石混合土逸出比降均較小,能滿足滲透穩(wěn)定的要求。以上分析說(shuō)明要保證土石壩的安全運(yùn)行,必須對(duì)壩基進(jìn)行防滲處理。(2)壩體排水效果分析河槽段典型斷面4+400(懸掛式防滲帷幕)在防洪高水位、設(shè)計(jì)水位、校核水位下的水頭等值線和浸潤(rùn)線見(jiàn)圖2～圖4,結(jié)合圖1對(duì)比分析可知:①浸潤(rùn)線隨著上游水位的增高而變陡,黏土斜墻后壩體水位下降至斜墻排水帶或水平排水帶內(nèi),下游壩體基本無(wú)水,說(shuō)明斜墻黏土防滲體和排水帶起到了“上堵下排”的作用;②混凝土墻頂與黏土斜墻結(jié)合部位出現(xiàn)水頭集中現(xiàn)象,該部位黏土承受高滲透比降,最大值為7.95,小于允許值;③各工況下的壩基水頭分布規(guī)律基本相同,混凝土防滲墻和防滲帷幕后壩基的水頭基本削減至下游水位,防滲效果明顯。3.3高水位情況下混凝土墻滲流場(chǎng)變化土石壩河槽段混凝土防滲墻頂部高程為91m,深入黏土斜墻6m左右(為最大水頭的1/6),滿足規(guī)范要求,混凝土防滲墻頂部黏土為高塑性黏土,其允許滲透比降為5～10。圖5為不同工況下混凝土防滲墻頂與黏土斜墻結(jié)合部位滲透比降沿壩軸線方向的分布曲線。從圖5可以看出:①同一工況下,混凝土防滲墻頂與黏土斜墻結(jié)合部位滲透比降沿壩軸線方向隨著壩基卵石混合土層厚度的增大而呈階梯上升趨勢(shì),最大滲透比降發(fā)生在防洪高水位工況4+500～4+625壩段,其值為7.95,在填筑黏土允許滲透比降范圍內(nèi),不會(huì)發(fā)生滲透破壞。說(shuō)明混凝土墻深入黏土斜墻深度基本合理,但仍須在以后運(yùn)行過(guò)程中注意該部位變形和滲流監(jiān)測(cè)。②防洪高水位滲透比降最大,正常蓄水位滲透比降最小,校核水位的滲透比降大于設(shè)計(jì)水位的滲透比降。這說(shuō)明滲透比降受上下游的落差變化影響顯著,隨上下游水位落差的增大而增大。3.4壩坡內(nèi)部滲流對(duì)抗取典型斷面4+400進(jìn)行分析,各工況下混凝土防滲墻滲透比降、防滲帷幕和下游壩坡逸出面滲透比降最大值見(jiàn)表4(混凝土防滲墻、防滲帷幕、下游壩坡的允許比降分別為60～80、25～30、0.10)。從表4可以看出:混凝土防滲墻與防滲帷幕的滲透比降均與上下游水位落差成正比,且上下游水位落差對(duì)混凝土防滲墻滲透比降影響較大;4+400斷面各特征部位滲透比降均在允許滲透比降范圍內(nèi),壩體、壩基滲流穩(wěn)定,不會(huì)