滁州市明湖水库大坝渗流稳定分析

戴明亮

(上海市政工程设计研究总院集团 第六设计院有限公司，安徽 合肥 230601)



滁州市明湖水库大坝渗流稳定分析

戴明亮

(上海市政工程设计研究总院集团 第六设计院有限公司，安徽 合肥 230601)

为适应滁州市经济社会快速发展的需要，根据《滁州市城市总体规划(2012～2030)》，拟在滁州市胜天河中游规划新建明湖水库，增大调蓄水面，提高防洪标准，打造皖东高端旅游休闲目的地。论述了滁州市明湖水库大坝坝体设计，说明了大坝坝基所处地质情况，并对大坝渗流稳定进行了计算分析。

水库大坝;渗流;稳定

拟建明湖水库枢纽工程等别为Ⅲ等,主要建筑物级别为3级,次要建筑物级别为4级。防洪标准采用50年一遇设计,300年一遇校核。明湖设计正常蓄水位14.0 m,50年一遇设计洪水位14.6 m。设计坝顶宽10 m,坝顶高程16.5 m,两侧坡比1∶3,中间设一道4 m宽平台(兼做园路),平台高程14.3 m。坝轴线现状地面高程约8.5～9.0 m。

明湖水库大坝拟建场地位于低缓岗地和圩畈区,地形相对较平缓,当地筑坝粘性土料丰富,因此,拟建的大坝采用均质土坝,最大坝高8 m,为低坝[1],坝体对地基变形适应性较强,坝基基面条件可适当放宽,建议坝基基面选用② 2层、④ 层粉质黏土。

根据地质勘探资料,坝基表层基本为30～100 cm厚的耕植土,筑坝前该层土应予以清除,表层耕植土以下部分段存在淤泥质粉质黏土软基,需通过渗透稳定计算[2-4]确定是否需要进行处理。

1 计算安全控制标准

坝身填土为调蓄区淹没范围内取土,以黏土、壤土为主,坝基土以粉质黏土为主,局部有淤泥质粉土。根据文献[5]计算和工程地质勘察报告,坝基土和坝身土的允许坡降见表1所列。

表1 坝基及坝身填土的渗透临界坡降计算值及允许值

2 计算工况及计算断面

计算工况在稳定渗流期分正常运用和非正常运用两种情况组合,同时坝下水位参与组合,并取不利工况,计算下游出逸坡降。根据地质勘探报告,计算选取比较有代表性断面进行概化计算,详见表2所列。

表2 渗流计算工况、计算断面统计表

3 土层渗透试验成果

根据地勘资料,各土层渗透系数试验成果见表3所列。

表3 各土层渗透试验成果表

4 计算方法及计算理论

本次大坝渗透稳定计算采用河海大学编制的“AutoBANK”软件进行计算,该程序采用有限元方法[6-7]求解二维渗流控制方程,目前国内普遍使用,具有较高的精度和较好的适用性,得到了国内外专家的一致认可。计算采用二维有限元方法并绘制流网[8-9],进而计算渗流坡降。

对于稳定渗流,符合达西定律的非均各向异性二维渗流场,水头势函数满足微分方程:

(1)

其中,φ=φ(x,y)为待求水头势函数;x,y为平面坐标;kx,ky为x,y轴方向的渗透系数。

水头φ还必须满足一定的边界条件,经常出现以下几种边界条件:

(1) 在上游边界上水头已知:φ=φn

(2) 在逸出边界水头和位置高程相等:φ=z

(3) 在某边界上渗流量q已知:

(2)

其中lx,ly为边界表面向外法线在x,y方向的余弦。

将渗流场用有限元离散,假定单元渗流场的水头函数势φ为多项式,由微分方程及边界条件确定问题的变分形式,可导得出线性方程组:

(3)

其中,[H]为渗透矩阵;{φ}为渗流场水头;{F}为节点渗流量。

求解以上方程组可以得到节点水头,据此求得单元的水力坡降、流速等物理量。求解渗流场的关键是确定浸润线位置,Autobank采用节点流量平衡法通过迭代计算自动确定浸润线位置和渗流量。

5 计算成果

选取上述断面、工况及相关参数,计算成果可见表4所列及图1～4所示。大坝为不透水地基上的均质坝。根据计算结果,三个断面、四种工况渗透出逸坡降均较小,在允许坡降范围内[10],从理论分析而言[11],大坝渗流是安全的[12-13]。

表4 渗流计算成果表

图1 0 km+340 m断面校核洪水工况渗流计算等值线图

图2 0 km+340 m断面水位降落工况渗流计算等值线图

图3 1 km+650 m断面校核洪水工况渗流计算等值线图

图4 1 km+650 m断面水位降落工况渗流计算等值线图

[1] SL 274-2001, 碾压式土石坝设计规范[S]．

[2] 丁树云，蔡正银．土石坝渗流研究综述[J]．人民长江，2008， 39(2)：33～36．

[3] 姜 帆．土石坝渗流研究发展综述[J]．水利与建筑工程学报， 2006,4(4)：94～97．

[4] 覃红玲．土石坝的流固耦合渗流研究综述[J]．科技创新与应用,2015(34)：26～27．

[5] GB 50487-2008，水利水电工程地质勘察规范[S].

[6] 冯耀奇．土石坝渗流计算模型的建立及工程应用[J]．大坝与安全，2006(6)：153～157．

[7] 温岷峰．土坝渗流的有限元分析[J]．湖北水力发电，2008(4)：116～119．

[8] 盛金保．土石坝渗流统计数学模型[J]．水利水运工程学报，1995(4)：435～443．

[9] 张乾飞．土石坝渗流确定分析模型研究[J]．武汉大学学报， 2000， 33(4)：5～9．

[10] 葛 建．堤坝渗透变形及稳定性分析[J]．水科学与工程技术，2005(6)：121～124．

[11] 刘杰著．土石坝渗流破坏的原因及控制措施[J]．水利水电技术，1979(3)：84～86．

[12] 刘杰著．土石坝裂缝的防止与渗流控制[J]．水利水电技术，1991(3)：94～97．

[13] 冯耀奇．土石坝渗流及防渗技术措施研究[J]．地下水，2006， 28(2)：70～72．

2016-04-06；修改日期：2016-05-13

戴明亮(1983-)，男，安徽安庆人，上海市政工程设计研究总院集团第六设计院有限公司工程师．

TV641.22;TV139.14

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1673-5781(2016)03-0346-03