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        不同排水方案下均質(zhì)土壩滲流及壩坡穩(wěn)定性有限元仿真

        2019-09-02 01:58:30
        中國農(nóng)村水利水電 2019年8期
        關(guān)鍵詞:棱體土壩壩坡

        張 寅 寅

        (甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,蘭州 730000)

        0 引 言

        土壩因其具有可就地取材及對壩基工程地質(zhì)條件要求低等優(yōu)點而在實際中為一種被普遍使用的壩型。在土壩研究中,土壩的安全一直是人們關(guān)注的重點,而滲流是威脅土壩安全的主要因素之一,因此土壩的滲流問題越來越引起人們的關(guān)注[1]。1993年青海溝后水庫失事事件就是由于大壩排水不暢,致使浸潤線很高,壩頂幾乎完全飽和,導(dǎo)致最后土壩失穩(wěn)破壞[2,3]。因此有必要針對不同排水設(shè)計在不同典型工況的運行進行壩體滲流穩(wěn)定分析,以便為水庫大壩滲流與排水設(shè)計提供參考。

        本文以甘肅靈臺縣新集水庫為研究對象,初選壩后貼坡式、壩體內(nèi)豎式和壩后棱體三種排水形式。其中,貼坡式排水投資較低,施工簡單,易于檢修,但壩體大部分處于飽和濕潤狀態(tài),不利于大壩安全;根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》[4],豎式排水能有效降低浸潤線,尤其適用于因土體分層碾壓形成的局部水平滲水通道,但施工難度相對較大,檢修較困難;棱體排水能有效降低浸潤線,適用面較廣,但需要級配砂礫石和塊石較多,投資相應(yīng)較高。因此,本文選擇土壩運行的不同典型工況,對三種排水方案進行有限元仿真,對大壩滲流、滲透及壩坡穩(wěn)定進行計算與分析研究,綜合技術(shù)經(jīng)濟考慮提出了建議的排水形式。

        1 工程概況

        新集水庫位于甘肅省靈臺縣達溪河干流,壩址距縣城約26 km,總庫容3 218 萬m3,為中型Ⅲ等水庫工程,大壩等主要建筑物為3級。攔河大壩為混凝土重力壩泄洪與均質(zhì)土壩擋水相結(jié)合的混合壩型。大壩校核洪水位為1 066.30 m,設(shè)計洪水位與正常蓄水位均為1 065.10 m。壩頂高程1 068.50 m,壩基置于弱風(fēng)化巖體上部,最大壩高39.5 m,壩頂總長758 m,其中均質(zhì)土壩段長515 m,壩頂寬8 m,壩體上游壩坡自上而下分別為1∶3.0、1∶3.5,采用現(xiàn)澆混凝土板護面,下鋪0.8 m厚砂礫石墊層,下游壩坡自上而下分別為1∶2.75、1∶3.0,采用混凝土網(wǎng)格草皮護坡。

        工程區(qū)土料分布廣泛,儲量豐富,本著“因地制宜、就地取材”的筑壩材料選擇基本原則[4],515 m長的擋水壩段采用當(dāng)?shù)厝劳林?。壩體土料總填筑量約249 萬m3,根據(jù)室內(nèi)土物理力學(xué)性質(zhì)試驗成果,土體物理力學(xué)性質(zhì)試驗參數(shù)(見表1)與質(zhì)量技術(shù)指標均滿足規(guī)范規(guī)定,符合筑壩要求。

        根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》壩體排水形式選擇的相關(guān)規(guī)定及《水工設(shè)計手冊》[5]第6卷土石壩1.6.8章節(jié)關(guān)于壩體排水的論述,結(jié)合本工程壩體下游水位較高和填筑材料的滲透特性,綜合考慮采用壩后貼坡式、壩體內(nèi)豎式和壩后棱體等三種排水形式。除壩體壤土外的其余材料參數(shù)均參考《設(shè)計手冊》,具體取值詳見表1。

        表1 模型材料分區(qū)特性參數(shù)Tab.1 Characteristic parameters of material in different zones of earth dam

        2 分析理論、模型及工況

        2.1 分析理論及方法

        滲流場計算分析考慮二維穩(wěn)定滲流問題,故在考慮定解條件時,只需要考慮第一類和第二類邊界條件。

        第一類邊界條件(水頭邊界條件)為:

        h(x,y)|Γ1=f(x,y)

        式中:Γ1為第一類邊界;h為水頭函數(shù);f(x,y)為已知水頭。

        第二類邊界條件(流量邊界條件)為:

        考慮到各向異性時,可以寫為:

        式中:Γ2為第二類邊界;n為Γ2的外法線方向;q0為已知流量。

        滲流場由上式所確定的二維滲流場模型進行模擬。

        根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》,壩坡抗滑穩(wěn)定計算應(yīng)采用剛體極限平衡法。對于均質(zhì)壩,宜采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普法。該法計算簡單,精確度和準確度滿足工程要求,是當(dāng)前水利工程穩(wěn)定性計算最常用的方法。因此本工程壩坡抗滑穩(wěn)定計算采用簡化畢肖普法。

        2.2 模型及工況

        選取土壩段大壩最高斷面作為本次研究的典型剖面,分別建立三種排水形式的二維有限元模型,如圖1所示。模型上下游長度取約2倍壩高,基礎(chǔ)深度自建基面向下取1倍壩高,模型包括影響計算域滲流場的主要邊界范圍[6]。邊界條件設(shè)定基礎(chǔ)底部和模型上下游邊界均為不透水邊界;水位以下河床均視為已知水頭邊界;位于河床以上地表均按可按逸出面處理,但實際逸出面通過分析經(jīng)迭代確定。模型材料分區(qū)特性參數(shù)經(jīng)試驗得到,具體如表1所列。

        根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》規(guī)定,滲流及壩坡穩(wěn)定計算考慮Ⅰ~Ⅲ共3種最不利工況,各工況相應(yīng)水位如表2所列。

        表2 模型工況Tab.2 Typical unfavorable working conditions of model

        圖1 均質(zhì)土壩二維有限元模型網(wǎng)格Fig.1 Grid of two-dimensional finite element model of homogeneous earth dam

        3 滲流分析研究

        3.1 滲流場

        經(jīng)有限元仿真計算研究,大壩壩體典型浸潤線及等勢線如圖2所示。

        大壩滲流場有限元仿真分析研究結(jié)論:①棱體和豎式兩種排水方案下游浸潤線基本水平,表明均對壩體浸潤線跌落的作用明顯,排滲效果較好;貼坡排水方案排滲效果相對較差。②豎式排水形式滲流等勢線分布更為密集,表明壩體滲流流速相對較大,對壩體內(nèi)部滲透穩(wěn)定不利。

        3.2 滲流量

        選取壩基帷幕中線所在斷面為截面,對不同工況滲流量進行仿真計算研究。工況I及工況II滲流量統(tǒng)計如表3所列,工況III水位下降過程滲流量過程如圖3所示。

        圖2 大壩壩體典型浸潤線及等勢線Fig.2 Typical phreatic lines and isopotential lines of the dam body

        表3 工況Ⅰ及工況Ⅱ滲流量統(tǒng)計 m3/(d·m)

        有限元仿真分析研究表明:豎式排水滲流量最大,效果最佳;棱體排水滲流量次之,效果尚可;貼坡排水滲流量最小,效果相對較差。工況II上下游水位差大于工況I,其滲透流量大于工況Ⅰ。

        3.3 滲透坡降

        分別對工況Ⅰ及工況Ⅱ大壩壩體滲透坡降進行有限元仿真分析研究,兩種工況滲透坡降分布云如圖4所示。

        圖4 工況Ⅰ及工況Ⅱ滲透坡降分布云Fig.4 Infiltration gradient distribution under working condition Ⅰ and Ⅱ

        大壩滲透坡降有限元仿真分析研究結(jié)論:由圖4可知:①工況Ⅰ與工況Ⅱ滲透坡降分布總體相近,但工況II量值稍大于工況Ⅰ。②工況Ⅱ豎式排水方案上游壩體滲透坡降較大,數(shù)值為0.6~0.8;棱體排水和貼坡排水方案滲透坡降較小,數(shù)值為0.3~0.6;三種排水方案滲透坡降的最大值均出現(xiàn)在壩內(nèi)部壩基處,均小于壤土允許滲透坡降值4~5[7],不會產(chǎn)生管涌及流土等滲透破壞。滲透計算分析結(jié)論與牛文杰等人針對不透水地基上均質(zhì)土壩滲流自由面的有限元計算的結(jié)論一致[8]。

        4 壩坡穩(wěn)定分析研究

        4.1 校核及正常蓄水位工況

        大壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全有限元仿真計算方法參考《土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析-原理.方法.程序》[9],壩坡抗滑穩(wěn)定安全計算成果如表4所列,典型壩坡滑動面如圖5所示。

        大壩校核及正常蓄水位工況有限元仿真分析研究結(jié)論:①大壩壩坡安全穩(wěn)定系數(shù)均大于規(guī)范允許值,且上游壩坡富余量較大。②豎式排水壩坡安全系數(shù)最大,穩(wěn)定性最好,棱體排水次之,貼坡排水安全系數(shù)相對較低。

        表4 大壩壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Tab.4 Safety factor of anti-slip stability of dam slope

        4.2 庫水位降落工況

        各排水方案庫水位降落期大壩上游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)變化過程如圖6所示。

        圖5 大壩壩坡典型滑動面Fig.5 Typical sliding surface of dam slope

        圖6 工況Ⅲ大壩上游壩坡最小安全系數(shù)過程Fig.6 Minimum safety factor process of dam upstream dam slope under working condition Ⅲ

        有限元仿真分析研究結(jié)論:①隨庫水位降落,各排水方案上游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)先行一定幅度增加,然后快速減小至最小安全系數(shù),之后隨壩內(nèi)滲流場的緩慢調(diào)整,出現(xiàn)小幅穩(wěn)定增長。②庫水位降落期間,各排水方案上游壩坡穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。③豎式排水方案上游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)均值及最小值相對最大;棱體排水其次;貼坡排水最小。其中,庫水位降落的趨勢和規(guī)律與安民等人針對庫水位升降對均質(zhì)土壩壩坡穩(wěn)定影響[10]及張偉民等針對土壩在水庫水位下降期的滑坡機理[11]的結(jié)論一致。

        5 豎式排水方案失效分析

        分析研究表明,豎式排水降低浸潤線效果明顯,壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)較高,但施工難度大,質(zhì)量不易保證,運行期一旦排水體失效,易造成壩體內(nèi)部缺陷,且檢修非常困難。因此,通過豎式排水的特性參數(shù)敏感性分析,研究部分失效或完全失效對大壩滲流及壩坡穩(wěn)定的影響。

        5.1 特性參數(shù)設(shè)定

        通過降低豎式排水區(qū)的滲透系數(shù),分析研究部分失效和全部失效對大壩滲流及壩坡穩(wěn)定的影響,參數(shù)設(shè)置如表5所列。

        5.2 分析研究

        分別對4種情況進行典型斷面二維有限元仿真滲流與穩(wěn)定性分析研究,大壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)如表6所列。

        有限元仿真分析研究結(jié)論:①隨豎直排水區(qū)滲透系數(shù)降低,壩體浸潤線逐漸抬高,壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸降低。②當(dāng)豎式排水部分失效時,正常蓄水位壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)由3.713及1.883分別降低至3.618和1.772,穩(wěn)定性較棱體排水方案差。③當(dāng)豎式排水完全失效時,正常蓄水位壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)由3.713及1.883分別降低至3.538和1.735,穩(wěn)定安全性均低于棱體排水方案。④綜合分析,若運行期豎式排水體部分失效或完全失效,則壩體浸潤線將產(chǎn)生較大抬升,下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可能低于棱體排水方案。

        表5 豎式排水區(qū)滲透參數(shù)設(shè)置Tab.5 Infiltration parameter of well drainage within the dam

        表6 壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Tab.6 Safety factor of anti-slip stability of dam slope

        6 結(jié) 論

        (1)從有限元仿真計算成果分析,三種型式排水措施均有效,壩坡安全穩(wěn)定系數(shù)均滿足規(guī)范要求,但排水效果、壩坡安全系數(shù)均有一定差別。從壩坡穩(wěn)定方面比較,各種工況下,豎式排水安全系數(shù)均最大(如工況II下,上游壩坡3.713、下游壩坡1.883),棱體排水次之(3.662、1.825),貼坡排水最小(3.445、1.727)。從滲流方面比較,各種工況下,豎式排水對壩體浸潤線跌落作用最明顯,滲流量最大[工況Ⅱ下0.288 9 m3/(d·m)],滲透坡降最陡(工況Ⅱ下數(shù)值0.6~0.8),排水效果最佳;棱體排水效果次之[滲流量0.259 8 m3/(d·m)、滲透坡降0.3~0.6];貼坡排水相對較差[滲流量0.210 8 m3/(d·m)、滲透坡降0.3~0.6]。

        (2)分析結(jié)果表明豎式排水最能有效降低浸潤線,壩坡安全穩(wěn)定系數(shù)最大,排水效果最佳;在施工質(zhì)量有保障的情況下,可優(yōu)先選擇豎式排水型式。但從豎式排水體部分失效或完全失效后情況分析,排水體失效后,壩體浸潤線將出現(xiàn)較大抬升,下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可能出現(xiàn)低于棱體排水方案的情況(部分失效后降為3.618和1.772,完全失效后降為3.538和1.735)??紤]到中、大型水庫,大壩的長期安全運行可靠性,不建議推薦豎式排水。

        (3)相對于豎式排水和棱體排水,貼坡排水滲流及壩坡穩(wěn)定均較差。但施工簡單,投資較低,且易于檢修。工程實踐中,在低壩上采用較多。

        (4)新集水庫總庫容3218 萬m3,壩高39.5m,為中型Ⅲ等水庫工程,大壩安全和壩體結(jié)構(gòu)長期可靠為重中之重,同時要考慮運行期易于檢修、技術(shù)經(jīng)濟合理等多種因素。依據(jù)本次有限元仿真計算分析成果,遵照規(guī)范相關(guān)規(guī)定,并參考國內(nèi)類似工程實例,對三種排水方案進行對比。結(jié)果表明棱體排水方案滲流穩(wěn)定和壩體安全穩(wěn)定性相對較高,排水效果相對較好,其長期安全運行可靠性高,施工相對容易。因此,最終確定新集水庫均質(zhì)土壩排水采用棱體排水方案。本文研究結(jié)果可為中小規(guī)模水庫均質(zhì)土壩滲流與排水設(shè)計提供良好借鑒。

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