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        特定地質(zhì)條件下水庫蓄水壩基變形特征分析

        2019-08-27 03:03:02鳳,王
        人民珠江 2019年8期
        關鍵詞:壩基蓄水滲透系數(shù)

        陳 鳳,王 鵬

        (1.江西省水泰工程檢測有限公司,江西 南昌 330000;2.湖南省株洲市佳聯(lián)建設工程有限公司,湖南 株洲 410004)

        壩基抬升變形在國內(nèi)外水利水電工程中相對少見。國內(nèi)的澧水江埡大壩[1-2]、大渡河銅街子大壩[3]、金沙江向家壩[4]及小灣特高拱壩[5]等水利工程都出現(xiàn)過壩基或近壩山體抬升變形現(xiàn)象。其中銅街子水電站壩體右岸山體表面產(chǎn)生24.3~28.9 mm抬升位移,如此大的抬升位移量實屬罕見。國外的托克托古爾重力壩[6]、英古里重力壩[7]也監(jiān)測到了壩基及水工建筑物抬升變形現(xiàn)象。

        壩基抬升變形的形成原因相對復雜,受蓄水條件、水文地質(zhì)及水工建筑物等因素的綜合影響,如何合理解釋抬升變形的原因,國內(nèi)外學者展開了大量研究,取得了諸多成果。王蘭生[8]等對壩基巖體的擴容行為開展室內(nèi)試驗,認為蓄水使得承壓含水層D2y內(nèi)的孔隙水壓力增高是壩基抬升的主要原因;伍法權(quán)[9]等基于實測資料,提出了5種引起抬升變形的主要影響因素,認為水庫蓄水是直接影響因素;祁生文[10]等采用數(shù)值方法模擬江埡大壩的抬升變形過程,認為造成抬升變形的主要外在條件是水庫蓄水;唐國進等[11]對監(jiān)測資料進行了詳盡的分析,提出多種抬升變形可能的誘發(fā)原因,并預測變形會逐步趨于穩(wěn)定;Xiaoli Liu[12]等認為壩基強度參數(shù)的弱化以及構(gòu)造應力等因素也會對抬升變形產(chǎn)生影響;蔣中明等[4]采用數(shù)值方法探討了壩基水文地質(zhì)條件對抬升變形的影響,胡波、吳中如[5,13]等結(jié)合原型監(jiān)測數(shù)據(jù),采用數(shù)值仿真對小灣特高拱壩壩基巖體變形特性進行了分析,認為壩踵基巖抬升主要是由于庫水位的持續(xù)升高,水推力作用逐漸增大,受彎矩作用壩體有向下游方向轉(zhuǎn)動的趨勢,壩踵壓力減小,進而致使壩踵基巖產(chǎn)生抬升變形。

        可見,在抬升變形成因問題上已有比較統(tǒng)一的結(jié)論,即產(chǎn)生抬升變形外因是水庫蓄水,而內(nèi)因則是壩基巖層存在特殊地質(zhì)構(gòu)造或特殊巖層(比如下伏有承壓含水層或遇水膨脹巖層等),但對外因(如蓄水水位等)和內(nèi)因(如壩基巖體變形模量、滲透系數(shù))敏感性影響研究少有提及,因此有必要對這一方面進一步研究。本文基于流固耦合作用的抬升變形數(shù)值理論,建立特定地質(zhì)條件下的二維數(shù)值模型,研究蓄水水位、巖體變形模量及滲透系數(shù)對抬升變形的影響規(guī)律,進一步揭示抬升變形的變形機理。

        1 基于流固耦合作用的抬升變形數(shù)值理論

        對于流固耦合理論的研究已有諸多成果[14-16]。對于裂隙巖體,考慮有效應力影響及孔隙水壓力的一般應力應變關系可表示為:

        εij=(1+γ)/E·σij-γ/E·σkk·δij-

        α/(3H)·p·δij

        (1)

        式中εij——應變分量;σij——應力分量,Pa;σkk——正應力,Pa;E——彈性模量,Pa;γ——切應變;δij——克羅內(nèi)克符號(i=j時,δij=1;i≠j時,δij=0);α——比奧系數(shù)[14],可取α=K/H;K——固體介質(zhì)的有效體積模量,Pa;H——比奧常數(shù);p——孔隙壓力,Pa。

        不計體力和慣性力時的平衡方程為:

        σij,j=0

        (2)

        應變-位移關系為:

        εij=1/2·(ui,j+uj,i)

        (3)

        式中u——位移,m。

        將式(1)、(2)代入式(3),可得孔隙介質(zhì)固體變形控制方程為:

        G·ui,ij+(λ·G·uk,kl)+α·pj=0

        (4)

        式中G——剪切模量,Pa;λ——拉梅常數(shù)。

        對于流體相,達西流速[15]為:

        vi=-(k/μ)·p,i

        (5)

        式中v——流體速度,m/s;k——滲透率,m2;μ——流體黏滯系數(shù),Pa·s。

        根據(jù)流體流動的連續(xù)性,即流體速度的散度等于單位體積空間流體儲量的比率,有:

        vj,i=φεkk-c*p

        (6)

        式中φ——孔隙度;c*——集總可壓縮性。

        將式(5)代入式(6)得到滲流控制方程:

        -(k/μ) ·p,kk=φεkk-c*p

        (7)

        式(4)、(7)為等效孔隙連續(xù)介質(zhì)與變形有關的流動控制方程。

        滲流場和應力場全耦合的過程是一個動態(tài)的過程,其求解需借助有限元等數(shù)值方法完成。本文采用有限差分軟件FLAC3D[16]對抬升變形過程進行模擬。為實現(xiàn)耦合過程中滲流場和應力場之間的相互耦合,F(xiàn)LAC3D將孔隙水壓力和飽和度作為節(jié)點變量,依賴于流體連續(xù)性方程的有限差分節(jié)點表達式,以力學平衡作為起始狀態(tài),通過若干流體步及力學步相互轉(zhuǎn)換循環(huán)計算,達到系統(tǒng)計算平衡;通過流體步得出孔隙水壓力增量,力學步得出體積應變[12]。從而計算出計算模型整體滲流場及應力應變場分布。

        2 數(shù)值模型

        2.1 計算網(wǎng)格

        由文獻[4,8-9]研究成果可知,江埡大壩水文地質(zhì)條件是產(chǎn)生抬升變形水文地質(zhì)條件的典型代表,在這種特定地質(zhì)條件下,由于水庫蓄水對巖體的外在滲透力,從而導致壩基巖體產(chǎn)生抬升變形,其地質(zhì)剖面見圖1。壩基分布有厚度不均的含水層和相對隔水層,其中壩基上游分布有厚度173 m的承壓熱含水層(圖1);底部分布厚度67 m相對隔水層,位于灌漿帷幕下端;下部為巖溶含水層,厚度36.5 m。本文采用江埡水庫大壩壩基水文地質(zhì)模型,建立二維壩基巖體抬升的數(shù)值計算模型,分別研究蓄水水位、巖體變形模量及滲透系數(shù)對抬升變形的影響規(guī)律,從宏觀上揭示壩基巖體抬升變形機理。

        圖1 江埡大壩壩基地質(zhì)剖面

        計算網(wǎng)格模型見圖2,以壩軸線為起始,分別向上游截取500 m、向下游截取600 m作為計算模型的上下游豎向邊界,沿x方向建立6個巖層,各巖層標號見圖2。底部高程-200 m作為底部邊界,大壩建基面高程114 m,壩頂高程245 m,壩基底寬102 m,模型在y方向拉伸30 m,劃分3個單元。考慮壩基灌漿帷幕對抬升變形的影響,最大深度處在相對隔水層中,以起到隔水效果。采用六面體單元對模型進行網(wǎng)格剖分,網(wǎng)格單元總數(shù)4 962個,節(jié)點總數(shù)6 968個。

        圖中數(shù)字為巖層標號圖2 數(shù)值計算網(wǎng)格

        2.2 計算參數(shù)及邊界條件

        力學邊界條件:底邊界施加鉛直向約束;左右鉛直邊界施加水平約束。上、下游庫底施加應力邊界;大壩上游面施加應力邊界。水力學邊界條件:模型底邊界、左右鉛直邊界為不滲透邊界;上下游庫底為已知水頭邊界,大壩上游面施加水頭邊界。初始條件:初始滲流場按蓄水前河道水位高程125 m計算;初始應力場為建壩前的自重應力場。計算參數(shù)見表1。

        表1 數(shù)值計算參數(shù)

        2.3 計算步驟

        采用FLAC3D數(shù)值計算過程如下:①計算初始應力場,滲流計算功能關閉;②計算初始滲流場,力學計算功能關閉;③大壩一次性施工完成模擬,流固耦合計算;④水庫蓄水,流固耦合計算。

        2.4 計算方案

        為了分析特定巖層水力學及力學參數(shù)變化對抬升變形影響,對大壩壩基在不同蓄水水位、壩基變形模量及滲透系數(shù)變化條件下的抬升變形進行敏感性計算。變形模量變化計算方案見表2,計算水位為236 m;滲透性變化計算方案見表3,計算水位236 m;水位變化計算方案見表4。

        表2 變形模量敏感性計算方案

        表3 滲透系數(shù)敏感性計算方案

        表4 水位變化計算方案

        3 計算成果分析

        3.1 變形模量對抬升變形的影響

        圖3(a)—(f)為表2中6種計算工況下的鉛直位移等值,其中等值線負值代表沉降變形,等值線正值代表抬升變形。由圖可知,壩基不同巖層變形模量的變化對抬升變形最大位移量及變形區(qū)域影響很大。6個計算方案中,方案E1最大抬升值最小為3.76 mm,而方案E5最大抬升值最大為8.83 mm,6個方案最大抬升值及抬升區(qū)域見表5。

        表5 不同變形模量方案計算結(jié)果統(tǒng)計

        圖4為6種計算工況的抬升變形分布,由圖可知,隨著壩基變形模量的減小,發(fā)生抬升位移的范圍越大。雖然在相同地質(zhì)構(gòu)造模式和相同滲流場作用下,但是壩基巖體變形模量發(fā)生變化后,其所產(chǎn)生抬升變形的范圍和最大抬升變形量均不相同??傮w規(guī)律為:①壩基巖體變形模量足夠大時,壩基不會產(chǎn)生抬升變形;②壩基巖體變形模量越小,抬升變形越大,抬升變形范圍越大;③壩基地層巖體的變形模量組合方式不同,抬升變形大小及分布范圍也不相同。

        a) 方案E1

        b) 方案E2

        c) 方案E3

        d) 方案E4圖3 不同變形模量抬升變形(mm)

        e) 方案E5

        f) 方案E6續(xù)圖3 不同變形模量對抬升變形(mm)

        圖4 方案E1—E6抬升變形分布范圍

        3.2 巖體相對滲透性對抬升變形的影響

        為研究巖體滲透性大小對抬升變形的影響,以變形模量計算方案E7為基準工況,分別研究表3中各方案的抬升變形。圖5(a)—(d)為4種計算工況下的鉛直位移等值。由圖可知,在不同的滲流場作用下及相同地質(zhì)構(gòu)造模式和相同力學參數(shù)條件下,壩基巖體產(chǎn)生抬升變形的范圍和最大抬升變形量受滲流場的影響較大。4種計算方案中計算模型均出現(xiàn)抬升變形,其中方案K1最大抬升值最小為7.58 mm,而方案K2最大抬升值最大為9.08 mm,不同方案最大抬升值及對應抬升區(qū)域描述見表6。

        圖6為4種工況下的抬升變形分布。由此可見,滲流場變化條件下,抬升變形的規(guī)律性相對較差,總體上有以下認識:①壩基下存在相對隔水層的條件下,壩基會產(chǎn)生一定程度的抬升變形;②壩基巖體中滲透性差異不大的情況下,也可能產(chǎn)生抬升變形;③壩基地層巖體的滲透系數(shù)組合方式不同,抬升變形大小及分布范圍也不相同。

        a)方案K1

        b)方案K2

        c)方案K3

        d) 方案K4圖5 不同滲透系數(shù)對抬升變形的影響(mm)

        表6 不同滲透系數(shù)方案計算結(jié)果統(tǒng)計

        圖6 方案K1—K4抬升變形分布范圍

        3.3 水庫水位變化對抬升變形的影響

        為研究水庫蓄水高度對抬升變形的影響,以滲透性敏感計算方案K3為基準工況,研究表4中各方案的抬升變形。圖7(a)—(d)為4種計算工況下的鉛直位移等值圖。由圖可知,方案H1與方案H2計算模型并沒有產(chǎn)生抬升變形,而方案H3下游河床發(fā)生抬升,最大抬升值0.34 mm;方案H4下游河床發(fā)生抬升,最大抬升值2.44 mm,各計算方案抬升區(qū)域描述見表7。

        表7 不同水位方案計算結(jié)果統(tǒng)計

        圖8為H3、H4工況下抬升變形分布。由圖可知,隨著蓄水水位的增大,壩基抬升變形的位移量越大,且范圍越廣。在相同水文地質(zhì)構(gòu)造模式和相同力學參數(shù)條件下,水庫蓄水水位不同,壩基巖體產(chǎn)生抬升變形的范圍和最大抬升變形量不同??傮w上有以下認識:①水庫水位降低,壩基及河床抬升變形減??;②壩基巖體產(chǎn)生抬升變形,存在一個臨界水庫水位。水庫蓄水水位大于臨界蓄水位,壩基及下游河床將產(chǎn)生抬升變形;反之,當水庫蓄水水位小于臨界蓄水位,壩基及下游河床不會產(chǎn)生抬升變形。

        a)方案H1

        b)方案H2

        c)方案H3

        d)方案H4圖7 不同蓄水深度對抬升變形的影響(mm)

        圖8 方案H3、H4抬升變形分布

        4 結(jié)論

        為本文研究需要,以江埡大壩水文地質(zhì)條件為典型建立FLAC3D數(shù)值模型,研究了特定地質(zhì)條件下壩基不同巖層變形模量、滲透系數(shù)及不同蓄水條件等因素對抬升變形的影響,通過計算分析得到以下結(jié)論。

        a) 壩基巖體變形模量足夠大時,壩基不會產(chǎn)生抬升變形;壩基巖體變形模量越小,抬升變形越大,抬升變形范圍越大;壩基巖體的變形模量組合方式不同,抬升變形大小及分布范圍也不相同。

        b) 壩基下存在相對隔水層的條件下,壩基會產(chǎn)生一定程度的抬升變形;壩基巖體中滲透性差異不大的情況下,也可能產(chǎn)生抬升變形;壩基巖體的滲透系數(shù)組合方式不同,抬升變形大小及分布范圍也不相同。

        c) 水庫水位降低,壩基及河床抬升變形減小;水庫水位大于臨界水位,壩基及下游河床將產(chǎn)生抬升變形;反之,當水庫水位小于臨界水位,壩基及下游河床不會產(chǎn)生抬升變形。

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