防渗帷幕在大坝坝基防渗应用效果研究

麻海花

(当涂县水利局 沿江水利管理服务中心,安徽 马鞍山 243100)

0 引 言

目前,随着我国混凝土预制和现浇强度的提高,蓄水工程坝体均呈现良好的力学和水力学耦合性能,但在工程修建完成后,沿坝体产生于坝基中的绕流现象极大地威胁着工程安全。为此,许多学者进行了相关研究。魏文礼等［1］针对丁坝绕流现象,综合运用气液两相和大涡模型进行三维水力特性数值模拟研究。结果表明,通过设置平行导流墙,且将其长度设置为与丁坝坝轴线长度一致的措施,能够对产生的漩涡现象起到较好的限制作用。蒋胡玲［2］等研究了不同结构体对水流绕流现象的影响,结果表明,进占比相同时,梯形结构体、方形丁坝、堆积体对水流流态影响程度依次减小。张博等［3］采用有限元方法,针对羊曲水电站堆石坝开展了三维渗流模拟分析。结果表明,当前设计中针对坝体与坝基的计划防渗手段能够满足工程设计要求。洪石笙等［4］提出了有关矿山截污库坝渗漏现象的一系列工程治理措施,满足了库坝防渗的设计阈值,起到了有效改善渗漏现象的良好效果。姚振锋等［5］针对极端气候条件下引起的溃坝现象造成的直接灾害进行了研究,结果表明,溃坝时水流滑落形成凸包形态的溃坝波是导致建筑物破坏的主要原因。

由以上分析可知,目前的研究成果多集中于坝体及坝基渗流问题,且部分研究成果对水流沿坝体在坝基中的绕流现象已有所揭示。本文以某拟建大坝为研究对象,采用MIDAS/GTS进行坝基水流的三维数值模拟研究,通过对比4种工况(缺失止水帷幕、止水帷幕未穿过风化岩体、止水帷幕完全穿越风化岩体)条件下的渗流速度变化特征,提出较为合理的止水帷幕设置位置和设计长度。

1 工程概况

某拟建水库设计蓄水深度25m,大坝采用钢筋混凝土重力式坝,坝高为30m。在混凝土坝体下部的基础主要是花岗岩的风化岩体,靠近坝体的表层岩土体为风化花岗岩岩体,向下依次为微风化和新鲜花岗岩体,拟建工程模型见图1。

图1中,H为止水帷幕深度;h为设置止水帷幕处弱风化岩层厚度,h=10.5m。岩土体的相关物理力学参数及其水力特性见表1。

表1 地层参数

2 数值模型建立

采用MIDAS/GTS软件,按照上述拟建工程模型进行建模分析。通过网格划分,将构建的模型划分为具有6 668个的单元体、包含节点6 601个的数值计算模型。按照试验所得各土层物理力学参数,对各层岩土体进行属性设置和赋值,包括渗透系数等相关水力学参数的设置,计算模型采用摩尔-库伦模型。

数值计算模型图见图2。

图2 计算模型图

边界条件设置:设计蓄水深度为25m,坝体直角边为上游蓄水侧,设计水头为25m,梯形边为下游零水位条件,采用渗流边界,分析计算在蓄水25m深度时,止水帷幕如图2所示设置位置不同设计深度(H=0、5、15、20m)时,坝体下方岩土体中的渗流情况,以确定合理的设计止水帷幕深度,模型底部设置为不透水边界。

3 计算结果分析

为了对不同止水帷幕设置条件下的防水效果进行分析,分别进行0、5、15、20m止水帷幕设置深度条件下的坝基岩土体渗流速度的求解计算。通过MIDAS/GTS软件自带的导出图形选项,选择相应渗流速度参数的计算结果云图进行导出。

3.1 不设置止水帷幕

为了对不设置止水帷幕条件下坝基岩土体的渗流特征进行分析,绘制0m止水帷幕设置深度条件下的坝基岩土体的渗流速度场,见图3。

图3 无止水帷幕渗流速度场

由图3可知,不设置止水帷幕条件下最大渗流速度约1.148m/d,不能满足工程要求,需进行止水帷幕的设置。

3.2 止水帷幕5m

为了研究止水帷幕深度为5m的渗流速度变化,导出该条件下的渗流速度场,见图4。

图4 设置长5m止水帷幕渗流速度场

由图4可知,最大渗流速度约1.476m/d,而边坡下部岩土体中的渗流速度基本介于2.46×10-1～8.61×10-1m/d,二者明显大于不设置止水帷幕的最大渗流速度1.148m/d及其下部岩土体中的渗流速1.91×10-1～7.66×10-1m/d。因此,该坝基岩土体止水帷幕5m深度条件下,不能满足工程要求。

3.3 止水帷幕15m

导出15m止水帷幕设置深度条件下的渗流速度场,见图5。

图5 设置长15m止水帷幕渗流速度场

由图5可以得出,最大渗流速度约为1.18×10-1m/d,其下部岩土体中的渗流速度为1.91×10-1～7.66×10-1m/d,下部岩土体中的渗流速度明显增大。

3.4 止水帷幕20m

为了分析止水帷幕穿越坝基中的风化花岗岩岩土层后延伸更长距离条件下的渗流速度变化,导出20m止水帷幕设置深度条件下的渗流速度场,见图6。

图6 设置长20m止水帷幕渗流速度场

由图6可知,最大渗流速度约5.278×10-2m/d,而边坡下部岩土体中的渗流速度显著减小。表明该坝基岩土体在设置止水帷幕20m深度条件下,工程防渗效果较好。

4 结 论

本文依托某大坝工程,基于MIDAS/GTS软件进行了三维渗流模拟分析。结果表明,不设置止水帷幕的坝基不能满足防渗要求;加大止水帷幕设置深度能够使截水防渗漏效果显著提高,但随着止水帷幕深度的增加,帷幕下部土体中的渗流速度明显增大;当止水帷幕设置深度为20m时,最大渗流速度约为5.278×10-2m/d,可以满足防渗要求。因此,选择深20m止水帷幕的止水方案较为合理。研究成果可为类似工程地质条件下的坝基防渗设计提供参考与借鉴。