陳志惠
雙河水庫復(fù)合土工膜防滲特性分析
陳志惠
(新疆阜康市水利管理總站上戶溝水管所,新疆阜康831500)
以新疆雙河水庫為例,運(yùn)用數(shù)值模擬軟件SEEP/W建立有限元模型,模擬壩體在鋪設(shè)土工膜前后浸潤(rùn)線的變化情況以及土工膜施工缺陷對(duì)壩體滲流的影響,并將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。結(jié)果顯示,模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)值之間有較高的吻合度,壩體滲流情況得到明顯改善,鋪設(shè)土工膜后浸潤(rùn)線降低了4.0m左右,溢出點(diǎn)坡降和平均坡降下降明顯,表明壩體防滲加固方案與數(shù)值模擬方法均可行、有效。
雙河水庫;土工膜;防滲特性
雙河水庫位于新疆阜康市滋泥泉子鎮(zhèn)雙河村境內(nèi),是一座以灌溉為主的平原注入式水庫,屬Ⅳ等?。?)型水庫。水庫原設(shè)計(jì)控制灌溉面積2.0萬畝,但由于初期設(shè)計(jì)不夠規(guī)范以及后期缺乏有效的管理維護(hù),致使現(xiàn)狀水庫保灌面積僅為1.0萬畝,屬于病險(xiǎn)水庫,防洪能力嚴(yán)重不足。結(jié)合雙河水庫項(xiàng)目區(qū)土料少、砂礫料豐富的特性,并考慮工程地質(zhì)條件以及水庫整體防滲的需要,采用土工膜+砂殼的防滲形式,形成閉合的防滲體系。
以雙河水庫地質(zhì)情況為基礎(chǔ),結(jié)合上述設(shè)計(jì)庫盤防滲加固方案,運(yùn)用SEEP/W軟件建立滲流分析模型如圖1所示。模型建立過程中,通過等效替換的方式對(duì)土工膜厚度與滲透系數(shù)進(jìn)行同步擴(kuò)大,以提升計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度[1-3]。
圖1 土工膜滲流分析模型
1.1 非飽和區(qū)域變化情況
當(dāng)庫水位與下游水位分別為22.50m和13.00m,通過飽和、飽和-非飽和兩種滲流分析方法對(duì)水庫滲流量進(jìn)行計(jì)算[4-5]。運(yùn)用飽和滲流計(jì)算方法計(jì)算得到單寬滲流量為0.43 m3/(s.m),壩體溢出點(diǎn)高程為14.21 m,浸潤(rùn)線坡降0.19。運(yùn)用飽和-非飽和滲流計(jì)算方法計(jì)算得到單寬滲流量為0.51 m3/(s.m),壩體溢出點(diǎn)高程為14.95 m,浸潤(rùn)線坡降0.18。而如果忽略非飽和區(qū)域的影響,溢出點(diǎn)高程下降了近0.74 m,浸潤(rùn)線較實(shí)際下降0.80 m,單寬流量下降約15.7%。土工膜施工后,壩體非飽和區(qū)域增加明顯,因此,模擬需采用飽和-非飽和滲流微分方程[6]。
1.2 浸潤(rùn)線變化情況
雙河水庫圍壩土質(zhì)條件較為均勻,選擇設(shè)有滲壓井的一處典型斷面(樁號(hào)0+050)進(jìn)行滲流分析。滲流計(jì)算工程有種,即工況一:壩體無防滲;工況二:壩體防滲;工況三:壩體壩基防滲。滲流計(jì)算中上下游水位設(shè)置分別為22.73 m和13.00 m。三種不同工況條件下壩體的浸潤(rùn)線計(jì)算結(jié)果如圖2所示。
觀察圖2中浸潤(rùn)線位置形態(tài)得出,土工膜對(duì)于浸潤(rùn)線有著顯著的影響,尤其在浸潤(rùn)線起點(diǎn)發(fā)生明顯變化,較未防滲狀態(tài)下降了約4.0 m;同時(shí),浸潤(rùn)線形態(tài)亦有變化,壩體在實(shí)施土工膜防滲后的浸潤(rùn)線變得更加平緩。而從防滲效果分析,在未實(shí)施防滲加固前的壩體溢出點(diǎn)高程在18.2 m,而實(shí)施土工膜防滲后溢出點(diǎn)高程則為14.5 m,下降幅度達(dá)到了3.7 m。
1.3 浸潤(rùn)線實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比分析
雙河水庫圍壩中選取四個(gè)關(guān)鍵位置布設(shè)滲壓井,樁號(hào)分別為1+050、1+565、2+250、3+250和4+000,滲壓井?dāng)嗝娌贾梅绞饺鐖D3所示。數(shù)據(jù)收集選擇在水路防滲加固施工完畢后的第7月進(jìn)行,觀測(cè)內(nèi)容主要為滲壓井內(nèi)水位的變化情況,用以掌握所鋪設(shè)土工膜的防滲特性。
以斷面1+565滲壓井觀測(cè)數(shù)據(jù)為例,將理論計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,如表1所示。分析表中數(shù)據(jù)得到,浸潤(rùn)線計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的誤差在可接受范圍內(nèi),相對(duì)誤差絕對(duì)值在1.7%~2.8%。這表明計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況有較高程度的吻合,滲流所建模型參數(shù)設(shè)置比較合理,計(jì)算結(jié)果能夠有效反映壩體滲流情況。
圖2 不同工況浸潤(rùn)線情況對(duì)比
圖3 滲壓井?dāng)嗝娌贾檬疽鈭D
圖3 浸潤(rùn)線實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比
當(dāng)上下游水位分別為22.73 m和13.00 m時(shí),得到實(shí)測(cè)和計(jì)算浸潤(rùn)線如圖所示,其中浸潤(rùn)線1和3分別代表鋪設(shè)土工膜前后的計(jì)算值,而浸潤(rùn)線代表實(shí)測(cè)數(shù)值。對(duì)比分析浸潤(rùn)線和得到,鋪設(shè)土工膜能夠明顯改觀壩體的滲流情況,土工膜后浸潤(rùn)線下降幅度達(dá)到了4.0 m,且溢出點(diǎn)坡降和平均坡降都有不同幅度的下降,這充分說明鋪設(shè)土工膜能夠有效控制壩體滲漏量。對(duì)比分析三條浸潤(rùn)線得到,計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差較小,本次設(shè)計(jì)防滲加固方案與模擬計(jì)算結(jié)果均可行、有效。
表1 不同水位情況下浸潤(rùn)線計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比
土工膜的施工質(zhì)量對(duì)于壩體防滲效果有著明顯的影響,土工膜缺陷處的滲流量較大。水流會(huì)通過土工膜缺陷進(jìn)入壩體,引起壩體內(nèi)孔隙水壓力的升高,進(jìn)而造成壩體局部的浸潤(rùn)線偏高,對(duì)下游壩坡面的穩(wěn)定性造成影響。因此,分析土工膜缺陷亦對(duì)壩體滲流特性研究有著重要的意義。本文在研究壩體滲流受土工膜缺陷的影響時(shí),將上游壩坡當(dāng)作不透水的邊界,并在此邊界上設(shè)置一土工膜缺陷。土工膜缺陷設(shè)置在兩個(gè)位置,分別在壩坡的中部與下部。同時(shí),在土工膜缺陷設(shè)定適宜的水頭或者定流量邊界條件。根據(jù)相關(guān)研究得出,壩體滲流受土工膜缺陷的影響主要包含三個(gè)要素,即缺陷位置、尺寸和數(shù)目,分析四種不同情況下滲流情況,具體方案如表2所示。
表2 土工膜缺陷對(duì)壩體滲流影響模擬方案
2.1 缺陷位置、尺寸和數(shù)目對(duì)浸潤(rùn)線影響
對(duì)比方案方案和可得到量化滲漏量的衡量值,進(jìn)而分析土工膜缺陷位置對(duì)浸潤(rùn)線造成的影響,浸潤(rùn)線計(jì)算結(jié)果見圖。土工膜缺陷位置對(duì)于壩體滲漏量的影響較大,且缺陷的滲漏量與缺陷數(shù)目之間并不存在一定同步倍數(shù)遞增關(guān)系,而10 mm孔徑的滲漏量鑰匙2 mm孔徑的7倍。
圖5 不同缺陷位置壩體浸潤(rùn)線
表3 不同接觸條件滲漏量
2.2 土工膜與其下墊層的接觸情況對(duì)浸潤(rùn)線影響
土工膜缺陷滲漏量的影響因素除了上述所說的缺陷位置、尺寸和數(shù)目之外,還包括土工膜與其下墊層的接觸情況。根據(jù)接觸情況的不同,可以分為完全接觸、接觸良好和接觸不良種情況[7-8]。設(shè)置分界面厚度為0.02~0.15 mm,接觸良好和不良條件下的滲透系數(shù)分別為1×10-7m/s、1×10-4m/s,計(jì)算得到不同接觸情況下滲漏量情況,如表3所示。
模擬結(jié)果顯示,當(dāng)接觸情況較差時(shí),即使土工膜缺陷較小,壩體的滲漏量仍較大;而土工膜與其下墊層接觸良好時(shí),即使缺陷規(guī)模和數(shù)量較大,壩體的滲漏量也保持在一個(gè)較小的范圍內(nèi)。土工膜與其下墊層的接觸質(zhì)量主要受施工質(zhì)量的影響,因此,施工中應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)土工膜與墊層接觸位置的質(zhì)量控制。
雙河水庫壩體防滲采用土工膜+砂殼的形式,形成了一個(gè)閉合的防滲體系。模擬結(jié)果表明,鋪設(shè)土工膜后庫盤滲流情況得到大為改觀,浸潤(rùn)線下降明顯,這與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果基本相同。土工膜缺陷對(duì)于壩體滲漏量有著較大的影響,包括缺陷位置、數(shù)目、尺寸以及土工膜與其下墊層的接觸情況,土工膜與其下墊層的接觸情況影響最為嚴(yán)重,施工中應(yīng)加強(qiáng)其防控。
[1]顧淦臣.復(fù)合土工膜土石壩的設(shè)計(jì)和計(jì)算[J].水利規(guī)劃設(shè)計(jì),2000, (04):49-56.
[2]劉鳳茹.復(fù)合土工膜選型及缺陷滲漏量試驗(yàn)研究[D].河海大學(xué),2004. [3]張文華.全庫盆土工膜防滲水庫的基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)與探討[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì),2016,(09):98-101.
[4]岑威鈞,沈長(zhǎng)松,童建文.復(fù)合土工膜防滲堆石壩力學(xué)特性有限元分析[J].水電能源科學(xué),2008,(05):110-112+165.
[5]GEO-SLOPEInternationalLtd.非飽和土體滲流分析軟件SEEP /W用戶指南[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2011.
[6]李傳奇,李超超,王帥,等.平原水庫土工膜防滲特性分析[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2016,(04):135-139.
[7]姜海波,侍克斌.壩坡復(fù)合土工膜防滲體的抗滑穩(wěn)定分析[J].水資源與水工程學(xué)報(bào),2010,(06):15-18.
[8]顧淦臣.復(fù)合土工膜土石壩的設(shè)計(jì)和計(jì)算[J].水利規(guī)劃設(shè)計(jì),2000, (04):49-56.
TV697.32;TV49
B
1673-9000(2017)02-0141-03
2016-02-03
陳志惠(1975-),男,新疆阜康人,工程師,主要從事水利工程建設(shè)與管理工作。