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        碾壓混凝土重力壩廊道滲流測值分析與有限元數(shù)值模擬

        2022-12-19 08:38:18周永紅徐蘭玉靳向波徐淼
        東北水利水電 2022年12期
        關(guān)鍵詞:廊道滲流壩體

        周永紅,徐蘭玉,靳向波,徐淼

        (1.山西汾河二庫管理有限公司,山西 太原 030012;2.水利部南京水利水文自動(dòng)化研究所,江蘇 南京 210012;3.水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心,江蘇 南京 210012;4.河海大學(xué),江蘇 南京 210098)

        0 引言

        碾壓混凝土重力壩廊道滲水在多個(gè)工程中被發(fā)現(xiàn)并得到一定程度的研究[1-3]。祁立友等[4]通過對桃林口水庫滲水觀測資料的分析,總結(jié)出了大壩滲水變化的一般規(guī)律。袁自立等[5]綜合大壩滲流觀測資料和有限元模型正反分析,得出了石漫灘碾壓混凝土重力壩滲流異常的成因。李榮等[6]通過ANSYS 軟件,采用等效連續(xù)介質(zhì)模型模擬碾壓混凝土壩的層間滲流特性,探究思林水電站碾壓混凝土壩的滲流規(guī)律。孫亮[7]基于碾壓混凝土的滲流特性,對龍華河碾壓混凝土壩進(jìn)行了三維滲流場分析。方衛(wèi)華等[8,9]借助COMSOL Multiphysics 軟件進(jìn)行三維有限元多場耦合分析,評價(jià)汾河二庫攔河大壩除險(xiǎn)加固效果。本文在已有的研究基礎(chǔ)上,基于汾河二庫廊道的滲流實(shí)測數(shù)據(jù),在考慮帷幕和排水管等重要復(fù)雜滲控結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,充分考慮壩體實(shí)際裂縫影響,研究了滲流場、應(yīng)力場和溫度場三場耦合在COMSOL的實(shí)現(xiàn)方法。

        1 工程概況

        汾河二庫是一座以防洪為主,兼有供水、發(fā)電、旅游、養(yǎng)殖等綜合效益的大(2)型水利樞紐工程。攔河大壩為碾壓混凝土重力壩,壩頂長227.7 m,最大壩高88.0 m,河床中部設(shè)3 個(gè)溢流表孔,每孔凈寬12.0 m,堰頂高程為902.0 m。

        由于歷史原因,在汾河二庫大壩主體工程竣工時(shí),大壩壩體、壩肩固結(jié)和帷幕灌漿并未完成,一到冬季廊道內(nèi)漏水嚴(yán)重。雖然2014年對壩肩、壩基及壩后連續(xù)墻等采取應(yīng)急除險(xiǎn)加固措施,但壩體內(nèi)存在較長裂縫,廊道滲水現(xiàn)象依然存在,阻礙水庫效益的發(fā)揮。

        2 廊道實(shí)測滲流數(shù)據(jù)分析

        2.1 滲流觀測布置情況

        2016年,為了解廊道內(nèi)出現(xiàn)的異常滲流情況,在廊道內(nèi)布置了23 個(gè)量水堰,用于觀測不同壩段滲流情況。堰上水頭測量采用振弦式4675LV-1傳感器,量程300 mm,精度為0.01%FS~0.02%FS。

        2.2 滲流觀測數(shù)據(jù)與分析

        2.2.1 滲流量過程及特征分析

        壩體870 廊道的4 個(gè)測點(diǎn)WE-6~WE-9 在加固后滲流明顯,且呈現(xiàn)季節(jié)規(guī)律性,測點(diǎn)滲流量與氣溫和上游水位的過程線見圖1,測點(diǎn)總體特征值分析見表1。

        由圖1和表1可知,測點(diǎn)的滲流量與溫度和上游水位具有較好的相關(guān)性,大致與溫度呈負(fù)相關(guān),與上游水位呈正相關(guān)。滲流量的最大值普遍出現(xiàn)在冬季末至春季初,最小值普遍出現(xiàn)在夏季至秋季。

        表1 測點(diǎn)滲流量特征值分析 ml/s

        圖1 上游水位氣溫測點(diǎn)滲流量過程線

        2.2.2 監(jiān)控模型

        1)裂縫滲流的確定性模型

        Witherspoon PA 根據(jù)裂隙巖體滲流的立方定律,導(dǎo)出粗糙裂縫中穩(wěn)定流流量Q的公式:

        式中:G為常數(shù),由裂縫的長度、寬度及水流粘滯系數(shù)確定;f為縫面特征系數(shù),一般為1.04~1.65,當(dāng)f=1.0 時(shí),即為光滑情況;△H為裂縫上下游水頭差;b為裂隙的等效張開度。

        2)統(tǒng)計(jì)模型

        由于大壩裂縫的幾何和物理性參數(shù)均很難確定,一般不直接采用確定性模型分析大壩裂縫的滲流情況,而是根據(jù)確定性模型的形式,利用水庫水位、氣溫和裂縫滲流量的觀測數(shù)據(jù)建立裂縫滲流的統(tǒng)計(jì)模型。假定裂縫的下游水頭為常數(shù),按下式計(jì)算水頭差△H:

        式中:H為上游水位;α,H0為待定系數(shù)。

        根據(jù)確定性模型的形式,基于水庫2014—2019年水位、氣溫和典型壩段廊道裂縫滲流量的實(shí)測數(shù)據(jù)建立裂縫滲流統(tǒng)計(jì)模型:

        式中:△TF為橫縫寬度;△HF為水平縫寬度;T為觀測日氣溫。

        綜合考慮式(1)—(4),按下式計(jì)算滲流量Q:

        式中:c1,c2,c3為待定系數(shù)。

        考慮到水溫和氣溫的關(guān)系實(shí)際上要比線性關(guān)系復(fù)雜,增加氣溫T4,多項(xiàng)式如下:

        式中:a1~a15為待定系數(shù)。

        870 廊道的4 個(gè)測點(diǎn)WE-6~WE-9 都具有良好的相關(guān)性,將4 個(gè)測點(diǎn)的滲流量合計(jì)為870 廊道的總滲流量進(jìn)行回歸分析,擬合多項(xiàng)式的結(jié)果殘差為154.045,擬合度R2為0.777,擬合效果較好。

        3 有限元模擬及對比分析

        為了從理論上論證該典型壩段滲流監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性,進(jìn)一步深入研究壩體裂縫、帷幕及壩基壩體排水管等作用下壩段滲流量的變化規(guī)律,利用有限元方法對存在問題的典型溢流壩段進(jìn)行數(shù)值模擬。

        3.1 模型的建立

        針對汾河二庫除險(xiǎn)加固前后的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和幾何拓?fù)湫再|(zhì),考慮該壩段結(jié)構(gòu)型式、壩體材料分區(qū)、基巖材料分區(qū),以及帷幕灌漿、排水、固結(jié)灌漿的布置等因素,建立溢流壩段滲流場-應(yīng)力場-溫度場三場耦合的雙重介質(zhì)模型[9,10]。模型單元總數(shù)為350 717 個(gè),計(jì)算網(wǎng)格如圖2所示。溫度場和滲流場方程采用瞬態(tài)形式,計(jì)算時(shí)長為720 d,步長為5 d。

        圖2 除險(xiǎn)加固后溢流壩段三維有限元模型網(wǎng)格剖分示意圖

        滲流場計(jì)算時(shí),上、下游水位以下為等水頭邊界,水位以上部分為混合邊界;除險(xiǎn)加固前,底高程為870.0 m 的廊道為可能溢出邊界,底部廊道為滿水有壓邊界;除險(xiǎn)加固后,所有廊道表面均為可能溢出邊界;其他邊界為不透水邊界。在COMSOL中可用透水層邊界模擬混合邊界條件。

        位移場、應(yīng)力場計(jì)算時(shí),壩基底部視為固定約束,壩基兩側(cè)x方向?yàn)檫B桿約束,壩基及并縫灌漿高程(855.0 m)以下壩體左右岸方向(y方向)兩側(cè)為連桿約束。

        溫度場計(jì)算時(shí),壩基底部和壩基兩側(cè)為絕熱邊界條件,上下游水位以下為第一類邊界條件,混凝土與空氣接觸為第三類邊界條件?;鶐r和混凝土都有初始溫度,該地區(qū)地?zé)釡囟葹?.0 ℃,混凝土常溫為9.5 ℃。

        3.2 計(jì)算參數(shù)及邊界條件

        溢流壩段模型主要由壩體和地基組成,其材料性質(zhì)及力學(xué)參數(shù)見表2和表3。

        表2 壩體及地基材料力學(xué)參數(shù)指標(biāo)

        表3 壩體及地基材料熱學(xué)參數(shù)指標(biāo)

        3.3 計(jì)算工況

        基于2018—2019年2年的氣溫及上游水位變化,文中取不考慮溢流壩段縱橫縫的情況為工況1,考慮溢流壩段縱橫縫情況為工況2。

        3.4 計(jì)算結(jié)果及分析

        1)三場分析

        壩體部分的第一主應(yīng)力分布、最低溫度分布、最高水位的滲流場水頭分別見圖3~5。在考慮裂縫之后,壩體增加了裂縫滲流引起的壓力,使壩體的第一主應(yīng)力增加;滲流量的增加引起了壩體內(nèi)水頭的抬高;應(yīng)力的抬高及滲流速度的增加,加快了壩體內(nèi)的熱交換及傳導(dǎo)速率,從而使溫度有了略微的提升。

        圖3 壩體工況1 和2 的第一主應(yīng)力圖(單位:MPa)

        圖4 壩體工況1 和2 的溫度等值線圖(單位:℃)

        圖5 壩體工況1 和2 的水頭等值線圖(單位:m)

        2)滲流量分析

        選取870 廊道工況1,2 條件下的滲流量計(jì)算結(jié)果與上游水位、氣溫進(jìn)行對比,如圖6~9所示。

        由圖6和圖7所示,在水位和氣溫的雙重影響下,有裂縫的滲流量大,工況2 相對于工況1 的變幅較大;由圖8和圖9可知,溫度對于裂縫滲流的影響更大,裂縫引起的滲流量與溫度有著明顯的負(fù)相關(guān)性。

        圖6 滲流量計(jì)算值與水位對比

        圖7 滲流量與氣溫對比

        圖8 裂縫引起的滲流量與水位對比

        圖9 裂縫引起的滲流量與氣溫對比

        3)計(jì)算值與實(shí)測值對比分析

        采用雙重介質(zhì)滲流-應(yīng)力-溫度三場耦合模型計(jì)算工況2 條件下870 廊道的滲流量,并與實(shí)測滲流量、上游水位及氣溫進(jìn)行比較,如圖10~11所示。由圖10可知,采用耦合模型計(jì)算得到的滲流量與實(shí)測滲流量擬合趨勢性較好,但在滲流量最低時(shí)吻合性稍低,主要原因是有限元計(jì)算采用的溫度值為大氣溫度的擬合值,造成模型計(jì)算過程中溫度值的偏差。同時(shí),由圖11可知,氣溫在20 ℃以上時(shí),溫度對實(shí)測滲流量影響很小,基本可以忽略,但這在有限元計(jì)算結(jié)果中不能較好地體現(xiàn),從而引起了溫度變化帶來的滲流量偏大。分析還表明,在水位和氣溫的共同影響下,壩體滲流和裂縫滲流共同作用引起了廊道滲流量的季節(jié)性變化。

        圖10 滲流量實(shí)測值與計(jì)算值和水位對比

        圖11 滲流量實(shí)測值與計(jì)算值和氣溫對比

        4 結(jié)語

        本文根據(jù)汾河二庫實(shí)際環(huán)境,以求解滲流量為目的,建立了水庫溢流壩段雙重介質(zhì)三場耦合模型,并用COMSOL Multiphyics 模擬有無裂縫的各工作性態(tài)及廊道的滲流情況。該法有效融合了動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)值和有限元計(jì)算結(jié)果,建立了壩體廊道內(nèi)滲流量的在線監(jiān)測與計(jì)算模型,可模擬長周期內(nèi)壩體滲流變化情況,為大壩滲流安全性態(tài)評價(jià)提供了新的思路和方法。該法模擬結(jié)果與實(shí)測值吻合度較好,但在滲流量最低時(shí)吻合性稍低,后期尚需進(jìn)一步研究分析。

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