某水電站圍堰三維滲流有限元分析

劉娜，閆兆杰，溫泳

(長春工程學(xué)院土木工程學(xué)院 ，長春 130012)

主要研究巖土數(shù)值計算。

摘要：利用三維有限元軟件對該圍堰進行了滲流分析，通過分析得到：圍堰在下游溢出口處水力坡降較大，容易發(fā)生水力破壞；而滲流量主要集中在防滲墻下方的覆蓋層中，這主要是懸掛式防滲墻引起的。在實際工程中一定要注意這兩點，以確保該圍堰的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：滲流；有限元；水力破壞；滲流量

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.03.013

收稿日期：2015-07-24

作者簡介：劉娜(1982-)，女(漢)，內(nèi)蒙古，講師

中圖分類號：TV223.4獻標(biāo)志碼：A

0工程背景

該水電站為大渡河干流水電梯級開發(fā)的第10級電站，壩址位于甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，沿大渡河右岸省道S211線向上游約85 km至丹巴縣城，向下游約50 km至瀘定縣城。工程采用斷流圍堰、隧洞泄流、大壩基坑全年施工的導(dǎo)流方式。上游圍堰為斜墻圍堰，堰頂高程為1 530.50 m，最大堰高56.50 m，堰頂寬10.00 m，迎水面邊坡1∶2.5，背水面邊坡1∶1.75；堰基防滲采用懸掛式防滲墻型式，防滲墻深度為65 m，防滲墻厚0.8 m；堰體防滲采用斜墻型式，最大擋水水頭約54.0 m。

1堰基與堰肩地質(zhì)特征

兩岸堰肩巖體主要為淺灰色—灰白色黑云母花崗巖，穿插有細晶花崗巖脈及石英閃長巖團塊，巖體堅硬較完整，無規(guī)模較大的控制性軟弱結(jié)構(gòu)面分布，邊坡整體穩(wěn)定。風(fēng)化卸荷總體較弱，上、下游圍堰兩岸均為弱風(fēng)化，右岸強卸荷水平深度0～6 m；左岸強卸荷水平深度15～20 m。該工程截流后即開始圍堰防滲墻的施工及堰體的堆筑，并要求在一個枯水期內(nèi)完成圍堰施工并達到擋水要求。由于堰體堆筑量大，基礎(chǔ)防滲深度大，且要求在一個枯水期建成擋水，涉及提前發(fā)電和度汛安全等重大問題，工期緊、難度大，故對圍堰滲流量、堰體及基礎(chǔ)滲透穩(wěn)定做了三維有限元研究。通過對堰體及防滲結(jié)構(gòu)在設(shè)計工況下滲流和滲透穩(wěn)定的分析，充分論證圍堰防滲結(jié)構(gòu)的可行性和合理性。

2計算方案

采用的坐標(biāo)：上游圍堰計算中均采用笛卡兒直角坐標(biāo)系，以順河向為x軸，下游為正方向；以垂直向為y軸，向上為正向；以橫河向為z軸，向右為正向。計算坐標(biāo)原點選取在防滲墻軸線、河道中線、堰底平面的交匯處。

圍堰為防滲墻圍堰，堰頂高程為1 530.50 m，最大堰高為56.50 m，堰頂寬10.00 m，最大擋水頭為51.0 m。

計算區(qū)域的選擇：計算區(qū)域順河向取為450 m(堰體順河向長為246 m)，垂直向自壩底以下取為120 m，其中基巖部分為50 m，橫河向取350 m寬(堰體軸線橫河向?qū)挒?74 m)。此計算中迎水面水位51.0 m，背水面水位0.00 m。防滲墻深度為65 m進行計算。

圖1　圍堰模型

3計算結(jié)構(gòu)分析

3.1　水頭分布

從圖2可以看出在正常水位時，等水頭線向防滲墻處靠攏，過了防滲墻后逐漸散開，說明防滲墻對整個滲流場起到了良好的防滲效果。鑒于三維云圖的立體觀測效果欠佳，防滲墻兩側(cè)的水頭變化又是關(guān)心的重點部位，所以給出了垂直于堰軸線的順河向的直線上不同深度處的各點的水頭值。這條直線過點(-200，y，0)和(300，y，0)。如圖3所示，分別為坐標(biāo)y為-5 m，-20 m，-45 m，-50 m時，即堰基的不同高程處水頭值，從圖上可知水頭值自上游至下游逐漸降低，且在防滲墻處有突降；堰基中隨著高程線的降低，水頭線自上游至下游變化越來越平緩，在防滲墻處的突降幅度越來越小。當(dāng)堰基中高程線降低到防滲墻底部時，水頭線自上游至下游變成一條平滑曲線。

圖2　圍堰等水頭面

(a)y=-5 m處

(b)y=-20 m處

(c)y=-45 m處

(d)y=-50 m處 圖3　堰底處順河向水平線上各點的水頭

3.2　水力坡降

水力坡降與土體的滲透破壞關(guān)系密切，通過計算水力坡降可以較容易地判斷出容易發(fā)生水力破壞的區(qū)域。同理，取垂直于堰軸線的順河向的直線上不同深度處的各點水力坡降的值進行分析。由圖4可得出以防滲墻為中心，水力坡降呈現(xiàn)中心處高，兩邊低的尖峰分布形態(tài)，在防滲墻處呈現(xiàn)頂部水力坡降高，底部水力坡降低的形態(tài)，而防滲墻的垂直下方的水力坡降又低于防滲墻中的分布形態(tài)。從上圖4可以看出，當(dāng)y=-5 m時，在下游200 m處水力坡降較大，可以達到0.9，隨著深度的增加，此處水力坡降會有所降低，但仍可達到0.25左右，所以，在下游200 m左右處需要特別小心，這位置水力坡降較大，在較淺的位置很容易發(fā)生管涌，在下游滲流溢出口處應(yīng)設(shè)置排水棱體，增加排水。通過計算說明本工程采用的是懸掛式防滲墻，雖然沒有封閉式防滲墻的截滲效果好，但起到了延長滲透路徑的作用，在一定程度上達到了降低水力坡降的效果，保證了整個堰體和堰基的滲流穩(wěn)定。

(a)-5 m處

(c)-45 m處

(b)-20 m處

(d)-50 m處

3.3　滲流量

通過分析得出上游圍堰防滲墻處截面滲流量和圍堰壩軸線處截面滲流量表。表1中左、右堰肩、堰底覆蓋層、基巖、堰體所表示的區(qū)域如圖1所示。由表1可以看出，整個圍堰區(qū)域的滲流量中，防滲墻下方的覆蓋層中的滲流量最大，占整個滲流量的絕對份額，左堰肩和右堰肩中的滲流量所占份額相對不大，這種滲流量分布規(guī)律是懸掛式防滲墻圍堰的特征。當(dāng)圍堰采用懸掛式防滲墻，尤其是防滲墻較短時，左堰肩和右堰肩中的滲流量相對很小，主要滲流量在防滲墻垂直下方的覆蓋層中，對滲流量的控制重點應(yīng)放在這一區(qū)域。

表1　滲流量統(tǒng)計表　　m 3/s

4結(jié)語

該圍堰滲流計算結(jié)果表明：此圍堰采用斜墻—懸掛式防滲墻防滲體系，懸掛式防滲墻可以起到延長滲透路徑、降低水力坡降的作用。但由于懸掛式防滲墻沒有深入基巖，圍堰在下游接近出口處-5 m深的范圍內(nèi)水力坡降較大，容易發(fā)生水力破壞，所以在實際工程中特別需要注意此處，應(yīng)該在下游壩坡滲流出口處做相應(yīng)的處理，可以鋪設(shè)反濾層并設(shè)置排水棱體，以防止發(fā)生管涌破壞。由于懸掛式防滲墻不能深入基巖，主要滲流量在防滲墻垂直下方的覆蓋層中，左堰肩和右堰肩中的滲流量相對很小，所以對滲流量的控制重點應(yīng)放在覆蓋層中，同時應(yīng)注意滲流量過大影響施工的問題。

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The finite element analysis to 3-FEM seepage of a hydroeletric cofferdam

LIU Na,et al.

(SchoolofCivilEngineering,ChangchunInstituteofTechnology,Changchun130012,China)

Abstract：The cofferdam seepage was analyzed by three-dimensional finite element software, and the result shows that the outfall seepage gradient in down-stream of cofferdam is big，where hydraulic failure can happen easily; however the seepage quantity was concentrated in the covering layer under the diaphgragm wall. That was mainly caused by the suspended diaphgragm wall. These two points in the practical engineering must be paid attention to, with the purpose to ensure the stability of the cofferdam.

Key words：seepage; finite element; hydraulic failure; seepage quantity