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        深層透水地基上水閘滲流安全分析與評價(jià)

        2022-12-19 01:36:48羅居剛
        水利建設(shè)與管理 2022年11期
        關(guān)鍵詞:有限元

        羅居剛

        (安徽省(水利部淮河水利委員會)水利科學(xué)研究院,安徽 合肥 230088)

        水閘安全的影響因素主要有閘室穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、滲流安全等。滲流安全問題在很大程度上影響著水閘的安全指標(biāo)。閘基土體在滲流作用下會引發(fā)流土、管涌、接觸沖刷等滲透變形。滲透變形對水閘工程安全的影響較大,嚴(yán)重時(shí)會引起水閘失穩(wěn),特別是建在含有承壓水的粉砂層地基上的水閘[1]。滲透變形產(chǎn)生的因素主要是土體性質(zhì)和水力條件。水閘滲流安全評價(jià)主要是應(yīng)用滲流理論并根據(jù)閘基地質(zhì)情況及上下游水位條件等參數(shù)進(jìn)行滲流計(jì)算分析,得出閘基地下輪廓線各點(diǎn)土體的滲流壓力、水力坡降等,同時(shí)結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范,對水閘滲流狀況進(jìn)行綜合評價(jià)[2-4]。對水閘滲流進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確的分析,可為合理選擇滲流控制措施、評價(jià)水閘的安全性提供可靠依據(jù)。在水閘滲流計(jì)算分析中,由于滲流場會呈現(xiàn)不同程度的非均質(zhì)及各向異性,邊界條件也較為復(fù)雜,因此采用解析求解的方法較為困難,常用的近似解法往往難以得到令人滿意的結(jié)果,而采用模型實(shí)驗(yàn)的方法,在實(shí)際操作中又會受到一些條件的限制,因此研究應(yīng)用先進(jìn)高效的滲流計(jì)算分析方法具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[5-6]。近年來,隨著有限元法在滲流領(lǐng)域的成功應(yīng)用,滲流數(shù)學(xué)模型得到了較大發(fā)展,為滲流計(jì)算分析提供了有力支撐[7-8]。本文以南潤段進(jìn)(退)洪閘工程為水閘滲流分析模型,利用有限元滲流計(jì)算軟件AutoBANK,針對其地基土體性質(zhì)和水力條件,分別采用滲徑系數(shù)法、改進(jìn)阻力系數(shù)法和有限元方法,對該工程在防滲最不利工況下的閘基滲流和閘下深層地基滲流進(jìn)行了計(jì)算分析和安全評價(jià)。

        1 工程概況

        南潤段進(jìn)(退)洪閘工程位于潁上縣南潤段行洪區(qū)原下口門附近,是2007年淮河大水后根據(jù)淮河干流蓄滯洪區(qū)調(diào)整規(guī)劃實(shí)施的淮河流域?yàn)?zāi)后重建重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目之一。工程為Ⅲ等中型,主要建筑物為3級,設(shè)計(jì)過閘流量為600m3/s。閘室采用鋼筋混凝土開敞式結(jié)構(gòu),共5孔,每孔凈寬8.00m,總寬47.22m,順?biāo)鞣较蜷L15.50m。閘墩分縫,分二孔一聯(lián)及三孔一聯(lián),底板頂高程21.00m,底板厚1.40m;閘墩頂高程29.50m,中墩厚1.20m,縫墩及邊墩厚均為0.90m,岸墻采用鋼筋混凝土空箱結(jié)構(gòu),閘下湖內(nèi)側(cè)右岸設(shè)橋頭堡,閘室頂部布置公路橋和工作橋,工作橋上設(shè)啟閉機(jī)房。上下游翼墻采用鋼筋混凝土扶壁式及懸臂式結(jié)構(gòu)。閘室上游側(cè)(淮河側(cè))設(shè)20.0m長鋼筋混凝土挖深式消力池(兼做鋪蓋),池深1.50m,消力池后布置總長30.00m混凝土海漫,后接長15.00m防沖槽。工作閘門采用平面定輪鋼閘門,尺寸為8.2m×7.5m(寬×高),配QP-2×250kN固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)。

        2 水文地質(zhì)條件

        根據(jù)地勘資料,在地面以下30m勘探深度范圍內(nèi),地下水類型為淺層松散類孔隙水,根據(jù)地層巖性和含水層特征可劃分出3層含水層和2層隔水層,其中第1含水層為潛水,第2、第3含水層為承壓水。各含水層中與工程較密切的為第1、第2含水層,第3含水層埋藏較深,對本工程基本不構(gòu)成影響。在場區(qū)內(nèi),潛水主要接受河水及大氣降水補(bǔ)給,通過地面蒸發(fā)和向淮河排泄,受季節(jié)或枯水期、豐水期的影響,與淮河水有密切的水力聯(lián)系。由于第1、第2含水層之間無相對隔水層,故承壓水和潛水在勘察區(qū)內(nèi)相互影響較明顯。在勘探深度內(nèi)自上而下各土層物理力學(xué)參數(shù)建議值見表1。工程區(qū)地震動峰值加速度為0.05g,相應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ度,閘址區(qū)場地土為中軟場地土類型,場地類別為Ⅲ類[9-10]。閘基及翼墻基礎(chǔ)持力層均位于第1層中粉質(zhì)壤土層,其具有弱透水性,承載力特征值為100kPa。第2層中、細(xì)砂層具有中等透水性,是閘基深層透水層。為提高地基的整體穩(wěn)定性,閘室、翼墻地基采用水泥土攪拌樁進(jìn)行處理。

        表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)建議值

        3 防滲排水體系

        由于該進(jìn)(退)洪閘工程反向擋水時(shí)水位差較小,故防滲排水設(shè)計(jì)采用單向布置形式。閘室前端設(shè)置深11.00m的垂直防滲墻,閘基防滲由淮河側(cè)消力池、閘基防滲墻及閘底板三部分共同構(gòu)成。閘基防滲布置輪廓線見圖1,防滲長度約79m?;春觽?cè)消力池(兼做鋪蓋)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),厚度0.70m,消力池縱向設(shè)縫,并在分縫處及其與閘底板、翼墻底板等接縫處設(shè)水平止水。在閘基水平防滲范圍內(nèi),閘室、岸墻和翼墻等分縫處設(shè)垂直與水平止水,以防側(cè)向繞滲。與上述防滲布置相對應(yīng),在湖內(nèi)側(cè)消力池底板上布置排水孔,排水孔直徑100mm,呈梅花形布置,孔距2.00m,排水孔下設(shè)砂石反濾料。此外,為確保汛期淮河高水位時(shí)在砂層承壓水的頂托下閘基土層不致發(fā)生滲透破壞,在消力池底板下設(shè)直徑200mm不完全排水減壓砂井,井口位于反濾層內(nèi),砂井底高程12.00m,間排距7m,共2排。

        圖1 閘基防滲布置輪廓線 (高程單位:m,尺寸單位:mm)

        4 滲流安全復(fù)核計(jì)算

        4.1 計(jì)算工況及參數(shù)

        該工程上下游水頭差最大的設(shè)計(jì)擋水工況,閘上淮河側(cè)水位27.92m,閘下湖內(nèi)側(cè)無水(地下水位20.50m),最大水位差為7.42m。在勘探期間內(nèi),測得閘基第二含水層承壓水位為20.50m,承壓水頭高度為6.5~7.0m。因此,該工程防滲最不利工況為上下游水頭差最大的設(shè)計(jì)擋水工況,最大水位差取7.42m。滲流計(jì)算中,考慮防滲墻不透水,計(jì)算參數(shù)見表1和圖1,據(jù)此分別計(jì)算該工況下水閘的閘基滲流、深層地基滲流的安全性。

        4.2 閘基滲流復(fù)核計(jì)算

        4.2.1 閘基防滲長度復(fù)核

        根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2016)[2],土基上的閘基防滲長度計(jì)算可采用滲徑系數(shù)法,防滲長度應(yīng)滿足下式:

        L≥CΔH

        (1)

        式中:L為閘基防滲長度,即閘基防滲輪廓線水平段和垂直段長度總和,m;C為允許滲徑系數(shù),閘基為中粉質(zhì)壤土取7;ΔH為計(jì)算水頭,m。

        根據(jù)水閘運(yùn)行條件,設(shè)計(jì)擋水工況最大水頭差7.42m,該工況對抗?jié)B穩(wěn)定最為不利,按式(1)計(jì)算所需防滲長度為51.94m。水閘閘基實(shí)際防滲長度約為69m,大于計(jì)算所需防滲長度,因此閘基防滲長度滿足要求。

        4.2.2 閘基抗?jié)B穩(wěn)定驗(yàn)算

        根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2016)[2],土基上的閘基抗?jié)B穩(wěn)定計(jì)算可采用改進(jìn)阻力系數(shù)法,閘基地下輪廓線見圖1。根據(jù)該水閘地基土類別,水平段水力坡降允許值可取0.15,出口段水力坡降允許值為0.40~0.50。考慮到該工程出口設(shè)置反濾層,允許水力坡降值可加大30%,調(diào)整后的水平段和出口段,水力坡降允許值分別為0.19和0.52~0.65。

        4.2.2.1 地基有效深度Te計(jì)算

        地下輪廓的水平投影長度L0=35.5m,垂直投影長度S0=12.5m,L0/S0<5,地基為深層透水地基,經(jīng)計(jì)算,地基有效深度Te為17.5m。

        4.2.2.2 分段阻力系數(shù)計(jì)算

        a.進(jìn)、出口段

        (2)

        式中:ξ0為進(jìn)、出口段的阻力系數(shù);S為板樁或者齒墻的入土深度;T為地基透水層深度。

        b.內(nèi)部垂直段:

        (3)

        式中:ξy為垂直段的阻力系數(shù)。

        c.水平段

        (4)

        式中:ξx為水平段的阻力系數(shù);Lx為水平段長度;S1、S2分別為進(jìn)、出口段板樁或者齒墻的入土深度。

        4.2.2.3 分段水頭損失計(jì)算

        各分段水頭損失值按下式計(jì)算:

        (5)

        式中:ΔH為上、下游水位差,m;hi為各分段的水頭損失值,m;ξi為各分段的阻力系數(shù);n為總分段數(shù)。

        4.2.2.4 進(jìn)、出口段修正

        進(jìn)、出口段修正后的水頭損失值按下式計(jì)算:

        (6)

        其中

        (7)

        式中:h0為進(jìn)、出口段的水頭損失值,m;h′0為修正后的水頭損失值,m;β′為阻力修正系數(shù),當(dāng)計(jì)算的β′<1.0時(shí),才進(jìn)行修正;S′為底板埋深與板樁入土深度之和,m;T′為板樁另一側(cè)地基透水層深度,m。

        修正后水頭損失的減少值Δh按下式計(jì)算:

        Δh=(1-β′)h0

        (8)

        4.2.2.5 抗?jié)B穩(wěn)定性復(fù)核結(jié)果

        根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265—2016 )表6.0.4[2],水平段和出口段的水力坡降值須小于規(guī)定的允許水力坡降值,底板水平段和出口段的水力坡降按下式計(jì)算:

        (9)

        式中:h′0、s′0分別為水頭損失值和底板水平段長度或出口段垂直長度,m。

        按照上述公式進(jìn)行計(jì)算,閘基底板水平段和出口段水力坡降計(jì)算結(jié)果及相應(yīng)允許水力坡降見表2。經(jīng)復(fù)核計(jì)算,閘基水平段和出口段的水力坡降值均小于規(guī)范允許水力坡降值,閘基抗?jié)B穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

        表2 閘基底板水平段和出口段出逸坡降及相應(yīng)允許水力坡降值

        4.3 深層地基滲流復(fù)核計(jì)算

        閘底板底高程為19.60m,根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告,閘底板下第2層中、細(xì)砂呈中等透水性,滲透系數(shù)5.0×10-3cm/s,層底高程9.30~10.80m,為閘基深層透水層,對閘基抗?jié)B穩(wěn)定不利。采用有限元法對水閘深層地基滲流穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算工況取水頭差最大的設(shè)計(jì)擋水工況,閘基各土層滲透系數(shù)見表1。有限元建模及滲流計(jì)算結(jié)果見圖2~圖4。

        圖2 有限元網(wǎng)格

        圖3 流速矢量圖

        圖4 水力坡降等值線圖

        根據(jù)《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50287—2016)[10],該閘基土體主要為壤土、粉質(zhì)壤土和砂土,流土為主要的滲透破壞形式。流土允許水力坡降值為臨界水力坡降與安全系數(shù)K的比值,K取1.5~2.0,臨界水力坡降計(jì)算式為

        Jcr=(Gs-1)-(e+1)

        (10)

        式中:Jcr為土的臨界水力坡降;Gs為土粒密度與水密度之比;e為土的孔隙比。

        根據(jù)表1中各土層參數(shù)值,臨界水力坡降和允許水力坡降值計(jì)算結(jié)果見表3。從圖4可知,水閘深層地基各點(diǎn)水力坡降值為0.02~0.46,均小于允許水力坡降值,因此,水閘深層地基滲流安全滿足規(guī)范要求。

        表3 各土層水力坡降計(jì)算

        4.4 滲流安全評價(jià)

        根據(jù)以上復(fù)核計(jì)算結(jié)果,在工程防滲最不利的設(shè)計(jì)擋水工況下,水閘閘基實(shí)際防滲長度大于規(guī)范要求的防滲長度,閘基防滲長度滿足要求;閘基水平段和出口段的水力坡降值均小于規(guī)范允許水力坡降值,閘基抗?jié)B穩(wěn)定滿足規(guī)范要求;閘下地基各點(diǎn)水力坡降值均小于規(guī)范允許水力坡降值,且閘基滲流場分布符合一般規(guī)律,水閘深層地基滲流安全滿足規(guī)范要求。綜上,根據(jù)《水閘安全評價(jià)導(dǎo)則》(SL 214—2015)[3],綜合評定該水閘滲流安全等級為A級。

        5 結(jié) 語

        a.本文結(jié)合潁上縣南潤段進(jìn)(退)洪閘工程,分別采用滲徑系數(shù)法、改進(jìn)阻力系數(shù)法和有限元方法,復(fù)核計(jì)算了該工程防滲最不利的設(shè)計(jì)擋水工況下水閘的閘基防滲長度、閘基水平段和出口段的水力坡降以及閘下深層地基各點(diǎn)土體的水力坡降值,計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求,閘基土體不易產(chǎn)生滲透破壞,綜合評定該水閘滲流安全等級為A級。

        b.對于含砂性土透水層的水閘地基,通常需在閘室前端設(shè)置垂直防滲墻,這是深層透水地基防滲處理的一種有效措施。該類閘基土體滲流介質(zhì)和邊界條件較為復(fù)雜,利用滲流計(jì)算軟件AutoBANK,針對其地基土體性質(zhì)和水力條件建立了有限元模型,進(jìn)行滲流場有限元計(jì)算分析,計(jì)算結(jié)果較之通常的近似解法更精確、可靠。

        c.運(yùn)用有限元方法可以通過有限單元的精細(xì)劃分實(shí)現(xiàn)對滲流場的精確模擬分析,能計(jì)算出滲流場內(nèi)任一點(diǎn)的滲壓水頭和滲透坡降值,相比改進(jìn)阻力系數(shù)法只能計(jì)算出地下輪廓線上各角隅點(diǎn)上的相應(yīng)值,有限元方法具有明顯的優(yōu)勢,因此被越來越多地應(yīng)用到滲流計(jì)算領(lǐng)域。但目前開發(fā)應(yīng)用的有限元滲流計(jì)算軟件基于的都是達(dá)西定律理論框架,對于在非達(dá)西滲流場中的應(yīng)用,尚需進(jìn)一步研究。

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