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        滁州市明湖水庫大壩滲流穩(wěn)定分析

        2016-12-09 06:51:09戴明亮
        工程與建設 2016年3期

        戴明亮

        (上海市政工程設計研究總院集團 第六設計院有限公司,安徽 合肥 230601)

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        滁州市明湖水庫大壩滲流穩(wěn)定分析

        戴明亮

        (上海市政工程設計研究總院集團 第六設計院有限公司,安徽 合肥 230601)

        為適應滁州市經(jīng)濟社會快速發(fā)展的需要,根據(jù)《滁州市城市總體規(guī)劃(2012~2030)》,擬在滁州市勝天河中游規(guī)劃新建明湖水庫,增大調(diào)蓄水面,提高防洪標準,打造皖東高端旅游休閑目的地。論述了滁州市明湖水庫大壩壩體設計,說明了大壩壩基所處地質(zhì)情況,并對大壩滲流穩(wěn)定進行了計算分析。

        水庫大壩;滲流;穩(wěn)定

        擬建明湖水庫樞紐工程等別為Ⅲ等,主要建筑物級別為3級,次要建筑物級別為4級。防洪標準采用50年一遇設計,300年一遇校核。明湖設計正常蓄水位14.0 m,50年一遇設計洪水位14.6 m。設計壩頂寬10 m,壩頂高程16.5 m,兩側坡比1∶3,中間設一道4 m寬平臺(兼做園路),平臺高程14.3 m。壩軸線現(xiàn)狀地面高程約8.5~9.0 m。

        明湖水庫大壩擬建場地位于低緩崗地和圩畈區(qū),地形相對較平緩,當?shù)刂握承酝亮县S富,因此,擬建的大壩采用均質(zhì)土壩,最大壩高8 m,為低壩[1],壩體對地基變形適應性較強,壩基基面條件可適當放寬,建議壩基基面選用② 2層、④ 層粉質(zhì)黏土。

        根據(jù)地質(zhì)勘探資料,壩基表層基本為30~100 cm厚的耕植土,筑壩前該層土應予以清除,表層耕植土以下部分段存在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土軟基,需通過滲透穩(wěn)定計算[2-4]確定是否需要進行處理。

        1 計算安全控制標準

        壩身填土為調(diào)蓄區(qū)淹沒范圍內(nèi)取土,以黏土、壤土為主,壩基土以粉質(zhì)黏土為主,局部有淤泥質(zhì)粉土。根據(jù)文獻[5]計算和工程地質(zhì)勘察報告,壩基土和壩身土的允許坡降見表1所列。

        表1 壩基及壩身填土的滲透臨界坡降計算值及允許值

        2 計算工況及計算斷面

        計算工況在穩(wěn)定滲流期分正常運用和非正常運用兩種情況組合,同時壩下水位參與組合,并取不利工況,計算下游出逸坡降。根據(jù)地質(zhì)勘探報告,計算選取比較有代表性斷面進行概化計算,詳見表2所列。

        表2 滲流計算工況、計算斷面統(tǒng)計表

        3 土層滲透試驗成果

        根據(jù)地勘資料,各土層滲透系數(shù)試驗成果見表3所列。

        表3 各土層滲透試驗成果表

        4 計算方法及計算理論

        本次大壩滲透穩(wěn)定計算采用河海大學編制的“AutoBANK”軟件進行計算,該程序采用有限元方法[6-7]求解二維滲流控制方程,目前國內(nèi)普遍使用,具有較高的精度和較好的適用性,得到了國內(nèi)外專家的一致認可。計算采用二維有限元方法并繪制流網(wǎng)[8-9],進而計算滲流坡降。

        對于穩(wěn)定滲流,符合達西定律的非均各向異性二維滲流場,水頭勢函數(shù)滿足微分方程:

        (1)

        其中,φ=φ(x,y)為待求水頭勢函數(shù);x,y為平面坐標;kx,ky為x,y軸方向的滲透系數(shù)。

        水頭φ還必須滿足一定的邊界條件,經(jīng)常出現(xiàn)以下幾種邊界條件:

        (1) 在上游邊界上水頭已知:φ=φn

        (2) 在逸出邊界水頭和位置高程相等:φ=z

        (3) 在某邊界上滲流量q已知:

        (2)

        其中l(wèi)x,ly為邊界表面向外法線在x,y方向的余弦。

        將滲流場用有限元離散,假定單元滲流場的水頭函數(shù)勢φ為多項式,由微分方程及邊界條件確定問題的變分形式,可導得出線性方程組:

        (3)

        其中,[H]為滲透矩陣;{φ}為滲流場水頭;{F}為節(jié)點滲流量。

        求解以上方程組可以得到節(jié)點水頭,據(jù)此求得單元的水力坡降、流速等物理量。求解滲流場的關鍵是確定浸潤線位置,Autobank采用節(jié)點流量平衡法通過迭代計算自動確定浸潤線位置和滲流量。

        5 計算成果

        選取上述斷面、工況及相關參數(shù),計算成果可見表4所列及圖1~4所示。大壩為不透水地基上的均質(zhì)壩。根據(jù)計算結果,三個斷面、四種工況滲透出逸坡降均較小,在允許坡降范圍內(nèi)[10],從理論分析而言[11],大壩滲流是安全的[12-13]。

        表4 滲流計算成果表

        圖1 0 km+340 m斷面校核洪水工況滲流計算等值線圖

        圖2 0 km+340 m斷面水位降落工況滲流計算等值線圖

        圖3 1 km+650 m斷面校核洪水工況滲流計算等值線圖

        圖4 1 km+650 m斷面水位降落工況滲流計算等值線圖

        [1] SL 274-2001, 碾壓式土石壩設計規(guī)范[S].

        [2] 丁樹云,蔡正銀.土石壩滲流研究綜述[J].人民長江,2008, 39(2):33~36.

        [3] 姜 帆.土石壩滲流研究發(fā)展綜述[J].水利與建筑工程學報, 2006,4(4):94~97.

        [4] 覃紅玲.土石壩的流固耦合滲流研究綜述[J].科技創(chuàng)新與應用,2015(34):26~27.

        [5] GB 50487-2008,水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

        [6] 馮耀奇.土石壩滲流計算模型的建立及工程應用[J].大壩與安全,2006(6):153~157.

        [7] 溫岷峰.土壩滲流的有限元分析[J].湖北水力發(fā)電,2008(4):116~119.

        [8] 盛金保.土石壩滲流統(tǒng)計數(shù)學模型[J].水利水運工程學報,1995(4):435~443.

        [9] 張乾飛.土石壩滲流確定分析模型研究[J].武漢大學學報, 2000, 33(4):5~9.

        [10] 葛 建.堤壩滲透變形及穩(wěn)定性分析[J].水科學與工程技術,2005(6):121~124.

        [11] 劉杰著.土石壩滲流破壞的原因及控制措施[J].水利水電技術,1979(3):84~86.

        [12] 劉杰著.土石壩裂縫的防止與滲流控制[J].水利水電技術,1991(3):94~97.

        [13] 馮耀奇.土石壩滲流及防滲技術措施研究[J].地下水,2006, 28(2):70~72.

        2016-04-06;修改日期:2016-05-13

        戴明亮(1983-),男,安徽安慶人,上海市政工程設計研究總院集團第六設計院有限公司工程師.

        TV641.22;TV139.14

        A

        1673-5781(2016)03-0346-03

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