某水电站围堰三维渗流有限元分析

某水电站围堰三维渗流有限元分析

刘娜，闫兆杰，温泳

(长春工程学院土木工程学院 ，长春 130012)

主要研究岩土数值计算。

摘要：利用三维有限元软件对该围堰进行了渗流分析，通过分析得到：围堰在下游溢出口处水力坡降较大，容易发生水力破坏；而渗流量主要集中在防渗墙下方的覆盖层中，这主要是悬挂式防渗墙引起的。在实际工程中一定要注意这两点，以确保该围堰的稳定性。

关键词：渗流；有限元；水力破坏；渗流量

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.03.013

收稿日期：2015-07-24

作者简介：刘娜(1982-)，女(汉)，内蒙古，讲师

中图分类号：TV223.4献标志码：A

0工程背景

该水电站为大渡河干流水电梯级开发的第10级电站，坝址位于甘孜藏族自治州康定县境内，沿大渡河右岸省道S211线向上游约85 km至丹巴县城，向下游约50 km至泸定县城。工程采用断流围堰、隧洞泄流、大坝基坑全年施工的导流方式。上游围堰为斜墙围堰，堰顶高程为1 530.50 m，最大堰高56.50 m，堰顶宽10.00 m，迎水面边坡1∶2.5，背水面边坡1∶1.75；堰基防渗采用悬挂式防渗墙型式，防渗墙深度为65 m，防渗墙厚0.8 m；堰体防渗采用斜墙型式，最大挡水水头约54.0 m。

1堰基与堰肩地质特征

两岸堰肩岩体主要为浅灰色—灰白色黑云母花岗岩，穿插有细晶花岗岩脉及石英闪长岩团块，岩体坚硬较完整，无规模较大的控制性软弱结构面分布，边坡整体稳定。风化卸荷总体较弱，上、下游围堰两岸均为弱风化，右岸强卸荷水平深度0～6 m；左岸强卸荷水平深度15～20 m。该工程截流后即开始围堰防渗墙的施工及堰体的堆筑，并要求在一个枯水期内完成围堰施工并达到挡水要求。由于堰体堆筑量大，基础防渗深度大，且要求在一个枯水期建成挡水，涉及提前发电和度汛安全等重大问题，工期紧、难度大，故对围堰渗流量、堰体及基础渗透稳定做了三维有限元研究。通过对堰体及防渗结构在设计工况下渗流和渗透稳定的分析，充分论证围堰防渗结构的可行性和合理性。

2计算方案

采用的坐标：上游围堰计算中均采用笛卡儿直角坐标系，以顺河向为x轴，下游为正方向；以垂直向为y轴，向上为正向；以横河向为z轴，向右为正向。计算坐标原点选取在防渗墙轴线、河道中线、堰底平面的交汇处。

围堰为防渗墙围堰，堰顶高程为1 530.50 m，最大堰高为56.50 m，堰顶宽10.00 m，最大挡水头为51.0 m。

计算区域的选择：计算区域顺河向取为450 m(堰体顺河向长为246 m)，垂直向自坝底以下取为120 m，其中基岩部分为50 m，横河向取350 m宽(堰体轴线横河向宽为174 m)。此计算中迎水面水位51.0 m，背水面水位0.00 m。防渗墙深度为65 m进行计算。

图1　围堰模型

3计算结构分析

3.1　水头分布

从图2可以看出在正常水位时，等水头线向防渗墙处靠拢，过了防渗墙后逐渐散开，说明防渗墙对整个渗流场起到了良好的防渗效果。鉴于三维云图的立体观测效果欠佳，防渗墙两侧的水头变化又是关心的重点部位，所以给出了垂直于堰轴线的顺河向的直线上不同深度处的各点的水头值。这条直线过点(-200，y，0)和(300，y，0)。如图3所示，分别为坐标y为-5 m，-20 m，-45 m，-50 m时，即堰基的不同高程处水头值，从图上可知水头值自上游至下游逐渐降低，且在防渗墙处有突降；堰基中随着高程线的降低，水头线自上游至下游变化越来越平缓，在防渗墙处的突降幅度越来越小。当堰基中高程线降低到防渗墙底部时，水头线自上游至下游变成一条平滑曲线。

图2　围堰等水头面

(a)y=-5 m处

(b)y=-20 m处

(c)y=-45 m处

(d)y=-50 m处 图3　堰底处顺河向水平线上各点的水头

3.2　水力坡降

水力坡降与土体的渗透破坏关系密切，通过计算水力坡降可以较容易地判断出容易发生水力破坏的区域。同理，取垂直于堰轴线的顺河向的直线上不同深度处的各点水力坡降的值进行分析。由图4可得出以防渗墙为中心，水力坡降呈现中心处高，两边低的尖峰分布形态，在防渗墙处呈现顶部水力坡降高，底部水力坡降低的形态，而防渗墙的垂直下方的水力坡降又低于防渗墙中的分布形态。从上图4可以看出，当y=-5 m时，在下游200 m处水力坡降较大，可以达到0.9，随着深度的增加，此处水力坡降会有所降低，但仍可达到0.25左右，所以，在下游200 m左右处需要特别小心，这位置水力坡降较大，在较浅的位置很容易发生管涌，在下游渗流溢出口处应设置排水棱体，增加排水。通过计算说明本工程采用的是悬挂式防渗墙，虽然没有封闭式防渗墙的截渗效果好，但起到了延长渗透路径的作用，在一定程度上达到了降低水力坡降的效果，保证了整个堰体和堰基的渗流稳定。

(a)-5 m处

(c)-45 m处

(b)-20 m处

(d)-50 m处

3.3　渗流量

通过分析得出上游围堰防渗墙处截面渗流量和围堰坝轴线处截面渗流量表。表1中左、右堰肩、堰底覆盖层、基岩、堰体所表示的区域如图1所示。由表1可以看出，整个围堰区域的渗流量中，防渗墙下方的覆盖层中的渗流量最大，占整个渗流量的绝对份额，左堰肩和右堰肩中的渗流量所占份额相对不大，这种渗流量分布规律是悬挂式防渗墙围堰的特征。当围堰采用悬挂式防渗墙，尤其是防渗墙较短时，左堰肩和右堰肩中的渗流量相对很小，主要渗流量在防渗墙垂直下方的覆盖层中，对渗流量的控制重点应放在这一区域。

表1　渗流量统计表　　m 3/s

4结语

该围堰渗流计算结果表明：此围堰采用斜墙—悬挂式防渗墙防渗体系，悬挂式防渗墙可以起到延长渗透路径、降低水力坡降的作用。但由于悬挂式防渗墙没有深入基岩，围堰在下游接近出口处-5 m深的范围内水力坡降较大，容易发生水力破坏，所以在实际工程中特别需要注意此处，应该在下游坝坡渗流出口处做相应的处理，可以铺设反滤层并设置排水棱体，以防止发生管涌破坏。由于悬挂式防渗墙不能深入基岩，主要渗流量在防渗墙垂直下方的覆盖层中，左堰肩和右堰肩中的渗流量相对很小，所以对渗流量的控制重点应放在覆盖层中，同时应注意渗流量过大影响施工的问题。

参考文献

[1] 王保田.悬挂式防渗墙防渗效果的模拟试验研究[J].岩石力学与工程学报，2008,27(增1):2766-2771.

[2] 杨秀竹， 陈福全，雷金山，等.悬挂式帷幕防渗作用的有限元模拟[J].岩土力学，2005，26(1)：105-107.

[3] 刘桃溪，辛全才，解晓峰，等.张沟均质土石坝渗流和坝坡稳定分析 [J].人民黄河，2012,34(3)：120-122.

[4] 陈贤，张立勇，王利容，等，双河水电站拦河闸坝三维渗流有限元分析[J].人民黄河，2014,36(1)：104-106.

[5] 许季军，张家发，程展林.堤防半封闭式防渗墙防渗机理及设计参数研究[J].人民长江，2001，32(5)：42-48.

[6] 李少明.防渗墙质量缺陷对土石坝渗流控制的影响[J].南水北调与水利科技，2012，10(5)：174-177.

The finite element analysis to 3-FEM seepage of a hydroeletric cofferdam

LIU Na,et al.

(SchoolofCivilEngineering,ChangchunInstituteofTechnology,Changchun130012,China)

Abstract：The cofferdam seepage was analyzed by three-dimensional finite element software, and the result shows that the outfall seepage gradient in down-stream of cofferdam is big，where hydraulic failure can happen easily; however the seepage quantity was concentrated in the covering layer under the diaphgragm wall. That was mainly caused by the suspended diaphgragm wall. These two points in the practical engineering must be paid attention to, with the purpose to ensure the stability of the cofferdam.

Key words：seepage; finite element; hydraulic failure; seepage quantity