基于ABAQUS的土石壩防滲墻滲流穩定性研究

閆軍林

(新疆云灃水利設計咨詢有限公司,烏魯木齊 830000)

1 概 述

防滲墻是一種有效的水利大壩防滲手段,具有施工簡便、防滲性能好等優點。目前,既有研究主要集中于防滲墻的防滲效果及滲流規律方面。如崔熙燦等[1]基于有限元,研究了瀝青混凝土心墻及壩基防滲墻應力及變形規律。結果表明,壩基防滲墻軸線向下游的偏移會對運行期防滲墻應力產生一定的不利影響,通過心墻基座向下游擴展,可以實現應力顯著降低的目的。黃寧等[2]基于數值模擬,系統研究了土質心墻壩防滲墻頂部土體剪切帶的變形及滲流規律。結果表明,采用剪切帶計算理論可以有效模擬土體連續變形。此外,設置剪切單元后,可以使豎向應力平均值降低30%。甘磊等[3]基于滲流特性,系統研究了混凝土防滲墻施工缺陷對其滲透溶蝕演化規律。結果顯示,防滲墻中存在的鈣離子濃度隨著大壩運營年份增長不斷降低,且隨著運營時間增長,離子濃度越低。研究表明,服役100年后,防滲墻等效滲透系數增大了8.20倍,滲流量增大了4.49。黃秀文[4]基于非飽和滲流理論,系統研究了庫水位驟降下混凝土防滲墻滲流穩定性。結果表明,水位驟降對于壩體的穩定性是不利的,通過設置防滲墻可以提高壩體的抗滲性,減小壩體的變形。周健等[5]基于Autobank數值有限元,系統分析了土石壩加固工程中的防滲墻內力及變形響應。結果表明,滲流應力的改變導致防滲墻背側出現拉應力。彭昆等[6]基于MIDAS數值計算方法,系統研究了不同土石壩防滲體系效果。結果表明,斜心墻+混凝土防滲系統可以延長滲流路徑,防滲效果最好。

本文基于ABAQUS數值模擬,對某水電站土石壩的滲流特征進行研究。并在此基礎上,探索防滲墻下接帷幕深度對壩基滲流分布的影響。研究結果可為防滲墻的設計及優化提供參考。

2 工程概況與數值模型

2.1 工程概況

本文研究的土石壩為典型均質土石壩,壩高186m,頂寬14m。實際工程中,土石壩上游坡比為1:2.0和1:2.25,下游坡比1∶1.8。該土石壩屬于大(I)型水壩,見圖1。根據現場資料,大壩壩基分為3層,分別為漂卵石層、含漂卵石層和卵礫石層。其中,第一層巖土體透水性為中等-強透水性;第二層與第一層透水性基本相同。覆蓋層含有花崗巖,透水性較弱,底部為新鮮基巖,透水性差。壩基防滲采用墻幕結合。其中,主防滲墻和副防滲墻厚度均為1.2m,主副防滲墻間距14m,主防滲墻底入層1.5m,并設50m防滲帷幕,墻頂與廊道連接;副防滲墻位于主墻上游,墻底入巖1.5m,并設10m防滲帷幕。

2.2 數值計算模型

根據壩體典型剖面,建立數值計算模型。其中,順河流方向設為X軸,高度方向為Z軸。網格總數為8 400個,防滲墻及帷幕42個,數值計算中采用正常蓄水位180m。

圖1 大壩典型剖面圖

計算中,采用的物理力學參數主要根據相關設計報告及參考既有文獻。具體見表1。

表1 材料滲透系數匯總

3 結果與分析

3.1 防滲墻滲透系數變化規律

為了研究防滲墻不同滲透系數變化規律,本文設計7種不同的計算工況,見表2。

主墻和副墻水頭損失與滲透系數的變化規律見圖2和圖3。由圖2可知,對于主墻滲透系數與水頭損失而言,主墻的滲透系數與水頭損失呈反相關,而副墻的滲透系數與水頭損失呈正相關。由圖3可知,對于副墻滲透系數與水頭損失而言,主墻的滲透系數與水頭損失呈正相關,而副墻的滲透系數與水頭損失呈反相關。

表2 滲透系數工況

防滲墻滲透系數與壩基滲流關系見圖4。由圖4可知,當保持上游副墻滲透系數不改變時,總水頭折減系數基本相同。當下游主墻的滲透系數降低至10-8cm/s時,對主副墻的水頭折減效應基本無影響。此外,當主墻滲透系數增大時,副墻的水頭折減變大,而主墻折減減小。當主墻滲透系數增大至10-6cm/s時,水頭由91.2m降低至65.9m。同時,當增大主墻滲透系數時,副墻的水力坡降增大。當主墻的滲透系數增大至10-5cm/s時,副墻水力梯度為151,該水力梯度大于規范允許的最大水力坡降,大壩存在安全隱患。

圖2 水頭損失與滲透系數的變化(主墻)

圖3 水頭損失與滲透系數的變化(副墻)

當保持下游主墻滲透系數不變時,總水頭折減基本一致。降低上游副墻的滲透系數至10-8cm/s時,對總水頭基本無影響。此外,隨著副墻滲透性增大,副墻的水頭折減減小,主墻水頭折減變大。當副墻的滲透系數增大至10-6cm/s時,主墻水頭由91.2 m增大至113m。同時,隨著副墻滲透性增大,主墻的最大水力坡降不斷變大。當滲透系數增大至10-5cm/,副墻水力坡降為152.3,存在安全隱患。

圖4 防滲墻滲透系數與壩基滲流關系

綜合來看,當主墻和副墻的滲透系數達到10-7cm/s,進一步降低滲透系數對墻的水頭折減影響減弱,也表明壩基滲流分布在該范圍變化不顯著。當防滲墻的滲透系數達到10-7cm/s時,主副墻的折減系數越大,墻間水位越高。

3.2 防滲墻下帷幕深度變化規律

設計11種不同的主副墻下接帷幕計算工況,見表3。

表3 帷幕組合工況

防滲墻水頭損失與帷幕深度關系(主墻)見圖5;防滲墻水頭損失與帷幕深度關系(副墻)見圖6;壩基滲流分布隨主副墻下接帷幕深度比的變化見圖7。綜合圖5-圖7結果來看,保持上游副墻防水帷幕深度不變時,當下游主墻帷幕深度變化時,總水頭折減率基本一致,但主墻和副墻水頭折減較明顯。此外,當保持副墻帷幕深度不變時,主墻帷幕深度介于30～50m時,對主墻和副墻的水頭折減影響很小。當主墻帷幕深度減小至10m時,主墻水頭折減由91.3降低至70.1,折減率降低51%。同時,副墻的水力坡降隨著主墻帷幕深度的減小而增大。當主墻帷幕深度減小至0m時,副墻水力梯度略大于臨界水力坡度,大壩存在一定的風險。

圖5 防滲墻水頭損失與帷幕深度關系(主墻)

圖6 防滲墻水頭損失與帷幕深度關系(副墻)

當保持下游主墻帷幕的深度不變時,總水頭折減不隨上游副墻帷幕深度的改變而改變。增大副墻帷幕深度值30m時,主墻水頭折減降低10%,副墻折減率提高10%。當副墻帷幕深度達到30m時,增大副墻帷幕深度,對主副墻水頭折減基本保持不變。

當主墻和副墻的帷幕深度在0～30m范圍內變化時,主墻和副墻的折減水頭和水力梯度隨著主副墻帷幕的比值增大而增大,墻間水頭升高。當帷幕深度大于30m時,折減水頭保持不變。這是由于基巖深度較大,當帷幕深度達到一定深度時,繼續增大帷幕深度,防水效果提高不顯著。因此,實際工程中,當防滲帷幕插入基巖一定深度時,帷幕深度的增大對壩基滲流的影響不再顯著。

圖7 壩基滲流分布隨主副墻下接帷幕深度比的變化

4 結 論

本文采用數值模擬,分析了某大壩混凝土防滲墻滲透系數及防滲帷幕對壩基滲流穩定性的影響。結論如下:

1)當防滲墻的滲透系數小于10-7cm/s,防滲墻的滲透系數改變對壩基滲流穩定性影響不大;當防滲墻的滲透系數大于10-7cm/s,隨著主副墻滲透系數比值的增大,防滲墻的折減水頭梯度變大。

2)當墻體帷幕未插入基巖時,主副墻的帷幕深度對壩基滲流穩定性影響較大。主墻水頭折減和水力梯度隨著帷幕深度比值增大而增大。當主副墻的帷幕插入新鮮基巖時,進一步增大帷幕深度,對壩基滲流影響減弱。

3)根據規范要求,主防滲墻的最大水力坡降為92.9,副墻最大允許水力坡度為75.6。本文采用副墻下接帷幕深度10m和主墻下接帷幕深度50m的設計方案,可以滿足規范允許的安全性要求。