瀑布沟高心墙土石坝渗流分析
2021-11-06
来源:飒榕旅游知识分享网
第5期 2013年10月 水利水运工程同 学报 No.5 0et.2013 HYDR0-Sa匝NCE ANDN团匝tING 瀑布沟高心墙土石坝渗流分析 涂扬举 ,王文涛 ,薛新华。 (1.国电新疆电力有限公司,新疆乌鲁木齐830063;2.国电大渡河流域水电开发有限公司,四川成都 610041;3.四川大学水利水电学院,四jll成都610065) 摘要:在深覆盖层地基上修建高土石坝,其防渗体系的可靠性是一项关键技术问题.防渗墙与土质防渗体连接 处是抵御渗透破坏的关键部位.根据瀑布沟土石坝防渗体系的结构特点,利用有限元方法对瀑布沟土石坝进行 了渗流分析.结果表明:坝体渗流与应力变形计算时,副防渗墙按40%承担水头较为合适;连接部位的渗透坡降 是非均匀变化的,混凝土结构顶部的渗透坡降较大,心墙底部出口处的渗透坡降较小;坝体与两岸相接部位心 墙底部渗流出口处的坡降最大.研究结论可以为类似工程提供参考和借鉴. 关键词:防渗结构;渗流;渗透坡降;瀑布沟水电站 中图分类号:TU 443 文献标志码:A 文章编号:1009—640X(2013)05-0077-06 对于修建在深厚覆盖层的土质心墙坝而言,主要是通过坝基防渗墙和土质心墙防渗体的连接构成完整 的防渗体系.由于防渗墙的刚度较之覆盖层要大许多,覆盖层的压缩沉降要比防渗墙大得多,防渗墙与覆 盖层在垂直方向上的变形差别必将在防渗墙侧面产生较大的摩擦力.同时由于防渗墙一廊道对心墙的顶托, 使廊道附近的心墙土体内出现应力场和位移场的畸变,产生应力集中,从而出现剪切破坏,并导致心墙土 料出现裂缝,从而严重降低心墙的抗渗性能.工程实践表明,防渗墙与坝体土质防渗体的连接是大坝一地基 整个防渗系统中最薄弱的环节….因此,防渗墙的上部,尤其是与大坝土质防渗体连接处,是渗流控制的关 键部位.上游防渗墙渗流控制的失效,往往造成大坝防渗体的渗透破坏一z . 防渗墙与大坝土质心墙的连接目前主要有两种形式:一种是墙顶设廊道的形式;另一种是防渗墙直接 插入土质防渗体一定深度的形式.墙顶设置廊道,墙中问预留灌浆孔,可以在墙体局部失效时进行补强灌浆. 插入式连接由于插入段墙外侧向土压力的作用,墙与填土之间能够紧密结合,不容易发生渗流接触冲刷,因 而是一种结构简单而且效果较好的连接方式.由于坝高的发展和防渗墙允许渗流梯度的限制,一些深厚覆盖 层地基上的高水头土石坝采用了两道防渗墙,如瀑布沟砾石土心墙土石坝等.虽然目前土石坝渗流方面的相 关文献[3—9]已有一些发表,但对于设置两道防渗墙与土质心墙底部的渗流性状进行分析的文章较为鲜见. 因此,以瀑布沟砾石土心墙土石坝为例,分析了瀑布沟水电站心墙土石坝两道防渗墙与土质心墙底部的渗流 性状,可以为今后类似工程两道防渗墙与心墙底部连接处防渗结构设计,以及坝体和坝基防渗设计优化提供 参考,具有十分重要的理论价值和工程意义. 1 工程概况 瀑布沟水电站坝址位于大渡河中游尼日河汇口上游觉托附近,地跨四川省西部汉源县和甘洛两县境内, 下距乌斯河镇7 km,距成昆铁路汉源车站9 km,上距汉源县城28 km.电站采用坝式开发,是一座以发电为 主,兼有防洪、拦沙等综合利用效益的大型水电站.瀑布沟水电站采用心墙土石坝坝型,最低高程670 m,坝 收稿日期:2013—04—08 作者简介:涂扬举(1964一),男,四川邛崃人,教授级高级工程师,主要从事水电工程建设管理工作 通信作者:薛新华(E—mail:scuxxh@163.tom) 78 水 利 水 运 工 程 学 报 2013年10月 高186 m,坝顶轴线长573 m,宽14 m,坝体最大底宽约780 m.坝顶上游侧设混凝土防浪墙,墙顶高程 857.20 m,大坝上游795 m高程设5 m宽马道,马道以上坝坡1:2.0,以下坝坡1:l2.25.大坝下游坝坡布置 有“之”字形道路,道路布置在1:1.8坡比之外.大坝心墙部分主要是由砾石土防渗体和人工反滤体系组 成,心墙砾石土防渗体的顶高程为854 m,顶宽4 m,底高程670 m,上、下游坡均为1:0.25.土料以宽级配砾 石土为主,心墙底部、心墙与岸坡接触带、防渗墙顶和混凝土廊道周围设高塑性黏土.心墙上、下游侧各设两 层反滤,上游两层厚均为4 m,下游两层厚均为6 m,反滤层以外为过渡料和坝壳料.心墙下部河床覆盖层采 用两道各厚1.2 m、间隔14 m的混凝土防渗墙防渗,其中一道为主墙,一道为副墙,心墙底面以下最大墙深 约78 m.基础防渗墙与心墙间采用插入式连接,防渗墙插入心墙深度为15 m,墙间设混凝土廊道,瀑布沟水 电站心墙土石坝剖面见图1. 图1 瀑布沟心墙土石坝剖面 Fig.1 Profile of Pubugou earth—rocldill dam 2 坝基渗流计算与防渗墙的水头分担比例确定 技施阶段委托清华大学和中国科学院力学研究所对瀑布沟心墙堆石坝进行了渗流分析 .利用自编有 限元程序对瀑布沟砾石土心墙坝进行了渗流计算.计算主要分为两个阶段,第一个阶段主要是为了满足心墙 底部局部渗流分析与应力变形分析要求,确定两道防渗墙的水头分担比例而取局部区域进行的渗流计算;第 二个阶段是完成优化论证以后,对整个坝体与坝基进行全面渗流分析. 2.1计算模型和计算网格 坝基渗流计算的主要目的是确定两道防渗墙的水头分担比例.由于坝肩上部的渗流对覆盖层内的渗流 性状影响很小,渗流的上边界只取到高程750 m.从心墙内部进入防渗墙之间的渗流量远小于坝基岩体绕渗 的渗流量,因而坝体的渗流对坝基的流场影响可以忽略,在坝基 渗流计算中可以不包含坝体部分,以减小计算的规模,提高模型 的精细程度. 图2为坝基渗流计算的有限元网格,计算的范围取为450 至750 m高程,顺河向取坝轴线上下游各200 m,坝轴向取约 900 m.网格共计12 976个20节点六面体单元,56 492个节点. 计算所选取的边界条件为:上游覆盖层表面节点、两岸山体表面 和模型上游断面的覆盖层表面节点作为上游已知水头边界;下 图2坝基渗流计算有限元网格 Fig.2 3D meshes of a model 第5期 涂扬举,等:瀑布沟高心墙土石坝渗流分析 79 游覆盖层表面节点和模型下游断面的覆盖层表面节点作为下游溢出面边界;其他边界均为不透水边界.计算 上游水位为850 m,下游水位670 m时坝基的稳定渗流场. 2.2计算参数和计算条件 图3为防渗墙剖面基岩渗流参数与帷幕布置,副防渗墙的帷幕灌浆范围在0+230.00以左取最大深度往 下20 m,以右取最大深度往下10 m.主防渗墙帷幕灌浆范围依照工程布置图中大坝剖面图的灌浆范围确定. 1n T】l 1o ̄1m Tll1 1 1oo Tll 13 ln T】l 1nI】l 1 1m T J】 10 ̄1mI】l 3 10 T】l 图3渗流参数与帷幕布置 Fig.3 Parameters of seepage and curtain arrangement 河床覆盖层各层均属强透水层,渗透系数差异不大,在0.023—0.104 cm/s范围内,各层中均有局部架 空层分布,架空层渗透系数 值为0.116~0.580 cm/s.覆盖层材料按同一参数取值.灌浆帷幕厚度取为 2.6 m.渗流计算采用3组参数,见表1.第1组参数为基本参数,第2组参数防渗墙的渗透系数降低,用于分 析防渗墙参数对水头分担结果的敏感性,第3组参数岩石的渗透系数略为放大,分析岩石参数取值偏差的敏 感性. 表1各材料渗透系数 Tab.1 Seepage parameters of different materials (on・s ) 2.3计算结果分析 3组参数计算的各部位水头消耗比例分别为:第1组,副防渗墙41.5%,主防渗墙58.3%,覆盖层0.2%; 第2组,副防渗墙38.6%,主防渗墙61.4%,覆盖层0.2%;第3组,副防渗墙40.1%,主防渗墙59.5%,覆盖 层0.4%.可见,副墙上消耗的水头比例为40%左右,主墙上为60%左右,河床覆盖层上消耗的水头比例可 以忽略不计;在岩石和灌浆帷幕的渗透系数不变的情况下,防渗墙的渗透系数降低为原来的90%,主防渗墙 承担的水头比例有3%的增长,在防渗墙和帷幕灌浆的渗透系数不变的情况下,岩石的渗透系数取偏大值, 主防渗墙承担的水头比例有1%的增长,故主副防渗墙的水头分担比例基本上为6:4. 综上所述,坝体渗流与应力变形计算时副防渗墙按40%承担水头来计算防渗墙的应力变形是合适的. 3 坝体与坝基整体三维渗流计算 3.1计算模型与计算网格 如图4所示,整体网格的计算范围左岸截断处断面 距离河谷中心线(坝轴线处桩号0+286.00)870 m左右; 右岸截断处距离河谷中心线600 m左右.上下游断面均 图4三维有限元计算网格 垂直于河流方向,上游断面河谷中心处距离坝轴线 Fig.4 3D meshes of the model 80 水 利 水 运 工 程 学 报 2013年10月 850 m,下游断面河谷中心处距离坝轴线870 m.底部断面为高程400 m的平面.共剖分62 904个20节点六 面体单元,266 118个节点,坐标系沿坝轴线桩号增加方向为 轴正方向,垂直坝轴线平面指向下游为Y轴正 方向,沿高程增加方向为z轴正方向 加]. 3.2河谷两侧地下水位反演 根据水文地质资料,左岸ZK46孑L年水位动态变化873.65~894.03 m,右岸ZH47孔年水位动态变化范 围为893.45~899.57 m,左岸平均水力坡度为14。一17。, 右岸平均水力坡度为22。~25。,两岸地下水向河谷中间 排泄,由于河道在折弯段前后基本顺直,可近似认为天然 地下水的渗流状况为垂直河流方向的二维渗流.通过坝 轴线河谷横剖面的渗流场计算来对三维模型两岸截断处 的地下水位进行反演.通过改变两侧边界水头进行试算, 最终确定的左侧边界水头为900 m,右侧边界水头为 1 030 m,得到的地下水等孔压线如下图5所示. 3.3计算参数和计算条件 /m 图5边界水头反演渗流场 Fig.5 Boundary head inversion seepage field 图6为防渗墙剖面的材料分区与帷幕布置,副防渗墙的帷幕灌浆范围在0+230.00 m以左取最大深度往 下20 m,以右取最大深度往下10 m.主防渗墙帷幕灌浆范围依照工程布置图中大坝剖面图的灌浆范围确定. (a)主防渗墙剖面 (b)副防渗墙剖面 图6材料分区与帷幕布置 Fig.6 Zoning of materials and curtain arrangement 整体渗流计算网格的材料参数见表2,各河床覆盖层均属强透水层,渗透系数差异不大,在0.023~ 0.104 cm/s范围内,故按同一参数取值.计算工况为稳定渗流工况,上游水位850 m,下游水位670 m. 表2坝基渗流计算参数 Tab.2 Seepage parameters of dam foundation 材料编号 ① 材料种类 10~100 Lu 渗透系数 25×10一 .(cm・s ) 渗透系数 20x10—5 .材料编号 ⑧ 材料种类 固结灌浆 ② ③ 3~10 Lu 1 3 Lu 5 0x10一 2 0x10—5 ⑨ ⑩ ⑥ ⑩ 帷幕灌浆 防渗墙 10x10—5 .10xl0—6 .④ ⑤ <1 Lu 崩积堆积10x10—5 .心墙料反滤层 堆石 1o×10—5 .80x10—2 .50xl0—3 .⑥ ⑦ F2断层 覆盖层10x10—2 80x10—2 ..10x10 .3.4计算结果分析 通过对瀑布沟工程区水位地质资料和钻孔观测水位等资料的分析研究,建立了瀑布沟工程区天然渗流 场计算分析模型,并通过多组切取边界水位的模拟计算分析,拟合出一组与“观测渗流场”较为相近的三维 天然渗流场及其相应切取边界的地下水位边界条件,为三维渗流控制分析研究提供了基础.计算分析表明: 第5期 涂扬举,等:瀑布沟高心墙土石坝渗流分析 81 (1)在现设计渗控方案及相应参数(防渗帷幕渗透系数1.0x10 cm/s)条件下,左岸岩石外表面混凝土 板下游溢出点高程681.8 m,右岸岩石外表面混凝土板下游溢出点高程681.2 m,略高于河谷中心水面线,在 河床部位,坝体最大断面心墙下游反滤层后堆石体内水面线高程为680.8 m.在考虑边界水头的情况下,防 渗墙处的水头降落要略小于无边界水头的情况.副墙上的水头降落约占总水头的38.5%,主墙上的水头降 落约占54.6%,两道防渗墙水头分担比例约为4:6,整体的计算结果与局部计算结果基本一致.在F2断层 以及左岸坝肩的崩积岩体处由于渗透系数较大,水头有明显的下降,覆盖层内的水头降落较小. (2)在设计初拟渗控方案及相应参数(防渗帷幕渗透系数1.0×10 cm/s)条件库水通过防渗平面向下 游的渗透量为13 009 m /d,其中透过坝体渗流量为862 m /d,0+286 m以左的渗流量为10 176 m /d,以右 的渗流量为1 971 m /d. (3)心墙上部的渗透坡降较小,下部较大,心墙710 m高程以上的渗透坡降一般不大于2.5.心墙内部高 塑性黏土范围以外一般渗透系数小于4,而廊道和副墙顶部的高塑性黏土渗透坡降较大,最大值达到16.廊 道与副墙之间高塑性黏土下部的渗透坡降小于1.河谷中心部分心墙下游侧底部与覆盖层相接部位渗透坡 降小于4.5,而与岸坡相接处渗透坡降比较大,最大值达到10.7.心墙下游面的下部渗透坡降介于2~2.5之 间,下游面出口渗透坡降是很安全的.心墙底部与固结灌浆后的覆盖层接触部位渗透坡降由廊道向下游逐步 减小,渗透坡降在河谷中部也比较小,最大值高塑性黏土内小于5,砾质土内小于3.5,在坡脚比较大.由于底 部设置了0.5 m厚的水泥土,接触面又处于受压状态,土颗粒进入灌浆覆盖层和接触冲刷的可能性不大. (4)覆盖层内的渗透坡降较小,约为0.01,小于覆盖层的准许渗透坡降(0.07—0.4).最大坡降位于主防 渗墙底部,约为6.7,副防渗墙底部最大坡降约为5.5,主防渗墙顶部与坝体连接处的坡降也较大,约为4.5. (5)左岸侧由于10~100 Lu岩体范围较大,且有 断层发育,渗流速度较右岸侧大.最大流速位于防渗 帷幕范围以外的断层内部,达到14 m/d,此处是渗漏的主要通道.因此,左岸侧0+126~0+286 m范围内的防 渗帷幕适当加深,以能覆盖住断层的影响范围为宜. , 4 结 语 深厚覆盖层中防渗墙与土石坝防渗体的连接往往是大坝防渗体系的关键因素,也是防渗体系的薄弱环 节,对防渗墙的应力状态和安全具有决定性影响,因此,对于设置两道防渗墙与土质心墙底部的渗流性状进 行分析计算是十分必要的.本文通过对瀑布沟砾石土心墙土石坝防渗墙与坝基渗流等进行了分析,可以得出 以下结论: (1)坝体渗流与应力变形计算时,副防渗墙按40%承担水头来计算防渗墙的应力变形是比较合适的. (2)连接部位的渗透坡降是非均匀变化的,防渗墙与廊道顶部的渗透坡降大,渗流出口的渗透坡降小. (3)设两道防渗墙时,混凝土结构插入土质防渗体的深度可以通过有限元计算进行优化设计. (4)连接处土体和混凝土结构接触面一般处于紧压闭合状态,高塑性黏土仅设于混凝土结构顶部即可 满足防渗要求. 参考文献: [1]吴梦喜,余学明,叶发明.高心墙堆石坝坝基防渗墙与心墙连接方案研究[J].长江科学院院报,2010,27(9):59-63. 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Key words:seepage prevention sturcture;seepage;seepage gradient;Pubugou hydroelectirc project