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        基于有限元軟件SEEP/W對(duì)云南吊江巖水電站地下滲流情況的分析

        2017-01-09 10:41:15秦乙洪陳佳文廖一天
        水利科學(xué)與寒區(qū)工程 2016年11期
        關(guān)鍵詞:卵石壩基帷幕

        秦乙洪,陳佳文,廖一天,辛 欣

        (三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

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        基于有限元軟件SEEP/W對(duì)云南吊江巖水電站地下滲流情況的分析

        秦乙洪,陳佳文,廖一天,辛 欣

        (三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

        在水電工程建設(shè)中經(jīng)常遇到不良的地質(zhì)條件,需要對(duì)其進(jìn)行處理,以滿足建筑物對(duì)地基的要求。本文結(jié)合工程實(shí)例采用SEEP/W軟件進(jìn)行滲流分析,提出了適合該工程的防滲措施,可供該工程參考。

        地基處理;滲流分析;防滲措施

        眾所周知,在水利水電工程建設(shè)中,經(jīng)常會(huì)遇到不良的地質(zhì)條件,防止不同條件下地基的滲漏是正在研究的重要課題。壩基滲漏又稱壩下滲漏,是指由于水庫(kù)蓄水后導(dǎo)致水庫(kù)上、下游水頭差,使水庫(kù)中水沿壩基巖石的孔隙、裂隙、溶洞、斷層等處向下游滲漏的現(xiàn)象[1]。壩基的滲漏不僅會(huì)降低水庫(kù)的綜合效益,增大對(duì)壩底的揚(yáng)壓力,而且還可能引起壩基巖上體潛蝕,導(dǎo)致壩基失穩(wěn)[2],引發(fā)難以估計(jì)的損失與后果[3]。本文選擇云南碩多崗河吊江巖水電站作為分析指標(biāo),采用有限元軟件SEEP/W對(duì)壩基進(jìn)行分析和計(jì)算[4],提出了相應(yīng)的防滲方案,并比較了方案的優(yōu)缺點(diǎn),選取了適合本工程的最佳防滲方案,結(jié)果可為該工程壩基地下防滲措施的選擇提供有力依據(jù),可供參考。

        1 工程概況

        1.1 基本概況

        云南碩多崗河吊江巖水電站是在此河流上建筑規(guī)劃的第四個(gè)梯級(jí)水電站,建設(shè)地點(diǎn)位于云南迪慶州香格里拉縣虎跳鎮(zhèn),該電站為單一發(fā)電工程。

        整個(gè)混凝土閘壩坐落在沖積層上,初步擬定的基礎(chǔ)防滲措施是采用帷幕灌漿與混凝土防滲墻相結(jié)合的垂直防滲方式,防滲墻底高程2519 m,厚度0.6 m,最大高度19 m,左右岸帷幕灌漿廊道長(zhǎng)度分別為20 m和60 m。

        1.2 地層巖性

        第四紀(jì)(Q4):由坡崩積層和沖積層組成,總厚度大約為3.70~15.30 m。坡崩積層主要為混合土碎石和碎石混合土;沖擊層主要為卵石混合土、級(jí)配不良砂和粉土質(zhì)砂[5]。從上而下描述如下:

        第一層混合土碎石:廣泛分布于兩岸邊坡及坡腳處,主要成分為灰?guī)r、板巖,其余為粉土和粘土,厚度大于150 m;第二層碎石混合土:碎石混合土分布較少,成分為板巖,其余為粉土及砂,稍濕,結(jié)構(gòu)松散,厚度大約為20~70 m;第三層混合土卵石:該層混合土卵呈中密狀態(tài),漂石含量較少,卵石含量較多,礫石含量約20%~30%,其余為砂,成分以玄武巖及少量的板巖、灰?guī)r為主,厚度大約為30~50 m;第四層粉土質(zhì)砂:粘粒含量和礫石含量較少,砂含量約較多,粉粒含量約22.0%,呈可塑狀態(tài),厚度大約為80~150 m;第五層混合土卵石:第五層混合土卵石呈密實(shí)狀態(tài),卵石含量約占大部分,礫石含量約20%~30%,其余為砂,其成分以玄武巖及少量的板巖、灰?guī)r為主。

        2 巖(土)體物理力學(xué)參數(shù)

        巖(土)體物理力學(xué)參數(shù)見表1、表2。

        表1 壩基各巖石(體)的物理力學(xué)參數(shù)建議值

        表2 壩址土體物理力學(xué)參數(shù)建議值表

        3 地基滲流分析

        3.1 計(jì)算時(shí)的邊界條件及材料參數(shù)

        上游水位正常蓄水位高程為2563.30 m,下游無(wú)水高程為2540.8 m,故上游的水深為22.5 m。計(jì)算區(qū)域:左邊距離上游壩趾15 m,右邊距離下游壩趾27 m,地面距離弱風(fēng)化板巖底部29.5 m,其中上游壩趾距離縱坐標(biāo)軸20 m,下游壩趾距離縱坐標(biāo)軸53 m,弱風(fēng)化板巖底部與橫坐標(biāo)軸重合。

        根據(jù)工程參考資料對(duì)地基進(jìn)行分區(qū),由地面從上至下依次分別為:混合土卵石1層,粉土質(zhì)砂層,混合土卵石2層,強(qiáng)風(fēng)化板巖層,弱風(fēng)化板巖層。為研究上游有水作用時(shí)的滲流情況,此處將大壩的澆注材料混凝土也作為一種材料。具體材料對(duì)應(yīng)的參數(shù)如下表3。

        表3 地基材料分區(qū)及其對(duì)應(yīng)參數(shù) m·s-1

        3.2 有限元軟件SEEP/W建模及結(jié)果分析

        SEEP/W 是一款巖土體滲流分析軟件,可以分析從簡(jiǎn)單的飽和問題到復(fù)雜的非飽和問題,穩(wěn)態(tài)滲流和瞬態(tài)滲流。軟件可以定義滲透各項(xiàng)特性,通過瞬態(tài)分析,可以得出不同時(shí)刻、不同點(diǎn)的孔隙水壓力分布狀況。工程無(wú)防滲措施時(shí)總水頭曲線點(diǎn)選圖見圖1、總水頭變化分布圖見圖2。

        由圖1可知地基下滲的水絕大多數(shù)從混合土卵石1層流出,且沒從壩體滲漏。由圖2知總水頭值沿程下降,在壩底下降的比較均勻。

        由圖3和圖4中的總水頭曲線圖可以看出總水頭呈現(xiàn)沿程逐漸下降的趨勢(shì),最大值52 m,最小值29.5 m。

        圖1 總水頭曲線點(diǎn)選圖

        圖2 總水頭變化分布圖

        圖3 總水頭曲線點(diǎn)選圖

        圖4 總水頭曲線圖

        根據(jù)表2有混合土卵石的允許滲透坡降為0.07~0.12,由圖5和圖6混合土卵石1層滲透坡降圖表明,該地層最大滲透坡降為0.67,不滿足規(guī)范要求,要對(duì)其進(jìn)行防滲處理[6]。

        根據(jù)表2粉土質(zhì)砂的允許滲透坡降為0.05~0.07,由圖7和圖8粉土質(zhì)砂層滲透坡降圖表明該地層最大滲透坡降為1.62,不滿足規(guī)范要求,要對(duì)其進(jìn)行防滲處理。

        根據(jù)表2混合土卵石的允許滲透坡降為0.07~0.12,由圖9和圖10混合土卵石2層滲透坡降圖表明該地層最大滲透坡降為0.33,顯然不滿足規(guī)范要求,要對(duì)其進(jìn)行防滲處理。

        圖5 混合土卵石1層坡降曲線點(diǎn)選圖

        圖6 混合土卵石1層坡降曲線圖

        圖7 粉土質(zhì)砂層坡降曲線點(diǎn)選圖

        圖8 粉土質(zhì)砂層坡降曲線圖

        圖9 混合土卵石2層坡降曲線點(diǎn)選圖

        圖10 混合土卵石2層坡降曲線圖

        根據(jù)資料查得板巖的允許滲透坡降為7×10-11~1.6×10-10,由圖11和圖12強(qiáng)風(fēng)化板巖層滲透坡降圖表明該地層最大滲透坡降為0.27,顯然不滿足規(guī)范要求,要對(duì)其進(jìn)行防滲處理[7]。

        根據(jù)資料查得板巖的允許滲透坡降為7×10-11~1.6×10-10,由圖13和圖14弱風(fēng)化板巖層滲透坡降圖表明該地層最大滲透坡降為0.25,顯然不滿足規(guī)范要求,要對(duì)其進(jìn)行防滲處理。

        圖11 強(qiáng)風(fēng)化板巖層坡降曲線點(diǎn)選圖

        圖12 強(qiáng)風(fēng)化板巖層坡降曲線圖

        圖13 弱風(fēng)化板巖層坡降曲線點(diǎn)選圖

        圖14 弱風(fēng)化板巖層滲透坡降曲線圖

        4 防滲排水方案的初步擬定

        本工程防滲排水設(shè)計(jì)采用上堵下排的設(shè)計(jì)原則。

        (1)防滲設(shè)計(jì)。為防止庫(kù)水外滲與壩基出現(xiàn)滲漏破壞,初步擬定采用上游防滲墻與兩岸灌漿帷幕組成的垂直防滲體系。為防止壩體不均勻沉陷對(duì)防滲墻產(chǎn)生的拉裂等不利影響,在閘室及擋水壩段上游設(shè)一寬5 m、厚3 m的混凝土段短鋪蓋,混凝土防滲墻設(shè)于上游擋水壩段地基以下。根據(jù)地質(zhì)建議防滲墻深入相對(duì)不透水層1.0 m(防滲標(biāo)準(zhǔn)為q≤5 Lu),底高程2519 m,墻厚0.6 m。

        (2)排水設(shè)計(jì)。為將滲流安全的導(dǎo)向下游和減小閘基下游的滲透壓力,在泄洪閘和沖砂閘下游的護(hù)坦底部設(shè)置3級(jí)配的反濾層。濾層厚度0.6 m,由下至上依次為0.2 m中粗砂、0.2 m砂礫石及0.2 m碎石,并在護(hù)坦末端齒墻下游回填砂卵石防止出口的滲透破壞。

        (3)防滲型式比選。本工程基礎(chǔ)直接建在河床沖積層砂礫石上,故基礎(chǔ)防滲型式對(duì)工程投資和運(yùn)行安全等影響比較大。因此本階段對(duì)全帷幕灌漿帷幕防滲和混凝土防滲墻2種防滲型式進(jìn)行比選,比選情況見表4。

        5 結(jié) 論

        (1)經(jīng)分析比較,全帷幕防滲及帷幕加上防滲墻的防滲措施均適用于本工程,就防滲效果而言,方案一全帷幕灌漿防滲方案在砂礫石地基層中防滲效果較差。相比之下,方案二帷幕結(jié)合混凝土防滲墻的方案更適合本工程。

        (2)全帷幕防滲方案靜態(tài)總投資為401.9萬(wàn)元,而帷幕結(jié)合防滲墻防滲方案靜態(tài)總投資555.73萬(wàn)元。全帷幕防滲方案較省,但相對(duì)工程投資而言,兩個(gè)方案投資差別不大。

        (3)綜合以上兩點(diǎn)考慮,更注重防滲效果,本工程推薦選用帷幕結(jié)合防滲墻的方案。

        [1] 黃海鴻,楊小平.基礎(chǔ)工程[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008.

        [2] 龔曉南.地基處理[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2005.

        [3] 彭弟,潘殿琦,李海礁,等.地基處理新技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)[J].長(zhǎng)春工程學(xué)院學(xué)報(bào),2007(3):1-4.

        [4] 郭繼武.建筑地基與基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,1990.

        [5] 毛昶熙.滲流計(jì)算分析與控制[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2003.

        [6] 王華俊.錦屏二級(jí)水電站閘基深厚覆蓋層滲流分析與控制研究[D].成都:成都理工大學(xué),2005.

        [7] 江春波,安曉謐.二維非恒定滲流的有限元并行計(jì)算[J].水科學(xué)進(jìn)展,2004,15(4):454-457.

        [8] 武漢水利電力學(xué)院,土力學(xué)及巖石力學(xué)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,1982.

        Analysis based on SEEP/W software subsurface seepage Hanging Rock River hydropower station in Yunnan

        QIN Yihong,CHEN Jiawen,LIAO Yitian,XIN Xin

        (CollegeofHydraulic&EnvironmentalEngineering,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China)

        There are many poor geological conditions in the construction of hydropower project , in order to meet the demand of the buildings foundation, we need to deal with it.This paper analysis of Seepage by an engineering examples combined with SEEP/W software.Proposed anti-seepage measures reference for the this project.

        foundation treatment;seepage analysis;seepage control measures

        三峽大學(xué)科研創(chuàng)新基金(SDYC2016004)

        秦乙洪(1992-),男,碩士研究生,主要從事水利工程施工與管理方面的研究。

        P641.2

        A

        2096-0506(2016)11-0009-05

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