水库围堰防渗墙设计下三维流场影响研究

2023-10-12 06:39
海河水利 2023年9期
关键词:蒙阴防渗墙围堰

张 玮

(济南市水政监察支队,山东 济南 250000)

防渗墙是水库坝体、水电站、河道堤防等水工设施中常用的防渗结构[1-3],其设计效果对水工建筑的运营稳定性具有重要意义。防渗墙自身结构参数、工程运营荷载等均会影响防渗效果,从而导致水工建筑出现渗漏等防渗失效现象[4,5]。邓佳等[6]、刘菊莲[7]为研究防渗墙结构与水工建筑的适配性,采用Fluent 模拟了防渗墙不同设计方案下运营工况,探讨了防渗墙设计工艺对水工设施的流速、压强等水力参数影响,评价了防渗墙设计合理性,对提升水工结构设计水平有参考价值。防渗墙作为一种水工结构,其静、动力响应特征也是设计方案需考虑的问题,张富有等[8]、唐友山等[9]采用数值仿真计算方法,分析了防渗墙结构应力、位移以及动力响应特征影响变化,在考虑结构静、动力场安全下遴选最优方案。水工建筑中流固耦合环境较为常见,防渗墙自身所处工程环境亦是如此,王正成等[10]、高江林等[11]通过引入流固耦合场控制理论,对闸门、闸站以及防渗墙等水工结构开展了流固耦合分析,揭示了流固耦合叠加作用下水工结构的应力、位移以及三维流场变化,贴合了工程运营实际,丰富了实际工程设计参考成果。为研究蒙阴水库围堰防渗墙设计,引入渗流-应力场耦合迭代求解方法,探讨了防渗墙不同厚度下围堰流态、流场影响变化,评价设计方案的合理性。

1 概况

1.1 工程情况

作为临沂地区重要供水中枢,蒙阴水库承担着防洪、排涝、农业灌溉以及水利发电功能,建设运营年限超过20 a,拦截上游孟河形成Ⅱ级水库,最大库容量超过1 000 万m3,有力支撑了地区输供水效率。在临沂境内,不仅存在蒙阴水库,还存在杏子山水库等中小型水库,它们构建起完善的梯级水库调节枢纽,保障了极端干旱天气的防旱抗旱工作。根据水利部门统计,从2022年6月上旬至8月,席卷全国的高温天气使临沂地区出现严重旱情,通过蒙阴水库、上峪水库等多个梯级水库调节水位,仅7 月供应水资源量超过800 万m3,极大缓解了孟河流域下游农业生产缺水问题。另一方面,虽蒙阴水库在2022 年夏秋季防旱抗旱工作中发挥了重要作用,但从中发现了水库部分运营问题,如运营泄流量低于设计值,部分堆筑坝渗透坡降较大,地表径流较活跃,监测获得最大渗透坡降可达0.24,且溢洪道泄槽段出现局部壅流、漩涡等现象,泄流效率较低,消能水平较差等。为此,水利部门计划先期对蒙阴水库开展病险调查,目前蒙阴水库为心墙堆筑坝与部分混凝土重力坝组合形式,最大坝高为45 m,全坝轴长为782 m,坝体高度分布为22~45 m,出现渗流活跃区域坝段并未设置防渗墙结构,仅有防渗面板等防渗体系。泄洪闸位于心墙坝右侧,采用主、次锚索与钢绞线作为闸墩支撑加固结构,如图1(a)所示,闸底板厚度为0.4 m,底板防渗性能也较差,泥沙淤积等较严重,这也是影响水库泄流运营较低的重要原因。从初步现场调查和资料分析,考虑在泄洪闸下游新建挡墙结构,减弱下游非稳定水流产生,其设计立面如图1(b)所示,且可抑制背水侧坝坡突涌、流土等。溢洪道加固设计如图2所示,堰型为WES曲面结构,进水口有控制段、反弧段等,溢流段坡度为1∶0.75,消力池轴长为9.5 m,反弧段为53.13°,相关的掺气坎、底坎等消流构件在室内模型中运营效果较佳,设计采用围堰导流施工方法,解决溢洪道和坝体防渗结构施工问题。水利部门综合分析蒙阴水库坝体以及溢洪道除险设计,认为围堰导流应用优势较大,但堰体以及坝体的防渗乃是重中之重,必须提高坝体防渗能力和降低围堰渗漏量等。为此,设计部门针对蒙阴水库围堰设计,开展防渗结构体系设计研究。

图1 部分工程设计

图2 溢洪道设计

1.2 建模设计

防渗墙乃是围堰防渗结构体系中重要组成,其参数设计与围堰流态、流场特征密切相关,探讨其结构设计,有利于在防渗安全与设计经济合理性之间寻到平衡。根据蒙阴水库坝体设计,围堰轴长为650 m,包括有不同程度风化的基岩、堆筑区、土工防渗膜、防渗墙以及其他土性堆筑区,按照分区分模块建模要求,建立了围堰计算模型,如图3所示。该模型中共有11个分区,与实际工程堰体剖面设计一致,如Ⅵ区为防渗墙体,Ⅸ~Ⅺ均为灰岩基岩层,按照基岩风化程度分为强风化层、弱风化层、微风化层,厚度分别为10、20、40 m,模型深度影响范围设定至微风化基岩面。按照建模要求,本模型为液固二相体组成,顶、底面分别为法向单向自由度以及无自由度设计,全模型通过沉降位移控制边界。计算中基岩、堆筑料等岩土体物理力学参数均以室内力学试验取值,如堆筑料中粉砂黏聚力为25 kPa、粉质壤土粒径为0.8~3.2 mm。

图3 围堰计算模型

围堰防渗结构体系中土工防渗膜作为已有防渗结构,位于图3模型的Ⅰ区,模型中其渗透系数取值为1×10-9m∕s,厚度为2 mm。其控制渗流量按照下式确定[4,12]:

式中:qg、kg分别指单宽渗流量(m2∕s)、渗透系数(m∕s);i指渗透坡降;ΔHg、Tg分别指水头差(m)、墙体厚度(m)。

单独提取获得土工防渗膜模型与防渗墙模型,如图4所示,两者作为围堰体防渗组成,计算网格划分时网格分布密度均高于其他区域。根据统计,防渗膜模型共有网格单元13 628 个、节点数9 827 个,防渗墙独立模型共有网格单元28 637 个、节点数22 634 个。计算围堰上、下游水位按照蒙阴水库运营期确定,分别为32.5、5.5 m。

图4 防渗结构模型

由于研究工况中存在渗流场-应力场(流固场)耦合情况,本文引入渗流-应力两场耦合平衡方程,见下式[10,13]:

式中:[K]指刚度矩阵;{δ} 指位移矩阵;{F} 指荷载矩阵;{Fs} 指渗流场作用力矩阵。

基于上述几何物理方程联解,获得耦合场流体运动控制方程变化,见下式:

式中:[K]指刚度矩阵;{Δδ} 指位移增量矩阵;{ΔF} 、{ΔFs} 分别指荷载增量矩阵、渗流场作用力增量矩阵;[k]指渗透系数矩阵;{h} 指水头差矩阵;[S]指流量矩阵;{f}指常数矩阵;[D]指流体运动模量矩阵;[B]指流体运动尺寸矩阵;σ指应力(Pa);ε指应变,无量纲;t指运动时间(s)。

以耦合场控制方程式(3)—(5)为基础,在仿真计算平台上完成多次迭代求解,从而获得相应的渗流解。在考虑防渗墙设计参数的前提下,围堰三维流态、流场均会与参数变化息息相关,而防渗墙设计参数涵盖了入岩深度、厚度、灌浆料类型等,在防渗墙入岩深度至弱风化基岩面的前提下,对其厚度设计参数开展对比研究,灌浆料均为C30水工混凝土。研究方案设定防渗墙厚度为0(无防渗墙)、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 m 共7 个方案,研究防渗墙不同厚度对围堰三维渗流场影响,评价设计方案的合理适用性。

2 防渗墙设计对围堰流态特征的影响

为研究防渗墙设计对围堰三维渗流影响,基于渗流-应力耦合场计算,获得围堰体水头线流态特征,如图5 所示。从图5 可以看出,在无防渗墙设计下,堰体内水头等值线聚集区位于坝脚溢出点,表明堰体迎、背水侧之间形成了一道较高水头差,集中有较大水力势能,有助于堰体内渗透通道贯通,导致堰体内径流活动加剧。当增设防渗墙后,相应的水头等值线密集区迁移至防渗墙底部,下游背水侧堰坡内无较多水头分布,即防渗墙成为迎、背水侧之间的“挡水板”,限制了迎、背水侧之间的渗流活动,在堰体内呈现较好防渗效果。由此可知,增设防渗墙对堰坡渗透特性具有较好抑制效果[6,14]。

图5 流态特征

无防渗墙、防渗墙厚度0.4 m下堰体孔隙水压力分布特征,如图6 所示。依据图6 中流态特征可知,无防渗墙时,孔隙水压力等值线在堰体迎、背水侧分布均匀,从坝顶至坝底逐步递增,最大孔隙水压力可达1 000 kPa,堰坡内孔隙水压力分布反映了渗流活动较稳定、均匀。增设防渗墙后,堰体内迎、背水侧孔隙水压力分布具有突变特征,如迎水侧800 kPa等值线在下游突变成200 kPa,孔隙水压力突变点位于防渗墙底部,即迎水侧较高孔隙水压力经防渗墙后均发生突变,在背水侧分布有较小孔隙水压力。分析认为,防渗墙渗透系数较之堰坡内堆筑料低了4~5 个量级,渗流活动经防渗墙后会形成止水帷幕,降低其渗透活动,因而表现出孔隙水压力分布突变特征。

图6 孔隙水压力特征

3 防渗墙设计对围堰流场特征的影响

从防渗墙与围堰耦合场流态特征可知,增设防渗墙结构,有助于提高堰坡内防渗能力,降低渗流活动。因而,防渗墙厚度设计较为关键,根据围堰导流量设计有150、200、250 m3∕s 3个研究工况,探讨防渗墙厚度参数设计方案。

3.1 单宽渗流量

依据围堰3 个导流工况,计算获得堰坡单宽渗流量影响变化特征,如图7 所示。分析图7 中单宽渗流量可知,导流量愈大,单宽渗流量愈高,在无防渗墙方案中,导流量150 m3∕s 工况下单宽渗流量为6.7 m2∕s,而导流量200、250 m3∕s 工况下单宽渗流量较前者分别提高了33.2%、58.4%。当增设防渗墙后,如防渗墙厚度为0.4 m,后者两导流量工况单宽渗流量分别为6.1、7.5 m2∕s,较之前者导流量150 m3∕s工况下分别提高了27.5%、53.2%。对比可知,增设防渗墙后,不同导流量工况下单宽渗流量差异缩小。

图7 单宽渗流量与防渗墙厚度变化关系

对比同一导流量下单宽渗流量变化可知,随防渗墙厚度递增,单宽渗流量呈先减后增变化,最低为墙厚度0.8 m 方案。导流量150~250 m3∕s 下单宽渗流量分别为2.36、2.83、3.4 m2∕s。当墙厚度低于0.8 m时,导流量150 m3∕s 工况、墙厚度0.4 和0.6 m 下单宽渗流量分别为4.88、3.5 m2∕s,墙厚度0.8 m 单宽渗流量较之前两者分别下降了51.7%、32.4%,随墙厚度梯次0.2 m 变化,单宽渗流量平均下降了30.4%;但墙厚度为1.0、1.2、1.4 m 时,相应的单宽渗流量分别为2.87、4.2、5.5 m2∕s,较之墙厚度0.8 m 单宽渗流量分别增大了21.6%、78%、133.6%,在墙厚度超过0.8 m后,随墙厚度0.2 m 的变化,单宽渗流量平均可提高33.1%。当导流量增大至200、250 m3∕s 后,单宽渗流量随防渗墙厚度变化仍是如此。笔者认为,增大防渗墙厚度,有助于增大止水帷幕宽度,对堰坡内渗流活动限制作用更强;但不可忽视的是,墙厚度持续增大,其自身占据风化基岩层的空间更大,对基岩风化层、扰动层影响更大,在渗流-应力场耦合作用下易造成堰坡突涌、壅流等非稳定渗流活动[1,15],因而呈现单宽渗流量在墙厚度0.8 m后陡增的现象。

3.2 渗透坡降

基于耦合场三维渗流计算,获得防渗墙底部渗透坡降影响变化,如图8所示。由图8中渗透坡降影响特征可知,导流量愈大,渗透坡降愈大,导流量250 m3∕s 工况下7 个方案中渗透坡降分布为18.93~63.2,而导流量150、200 m3∕s工况下渗透坡降较前者分别下降了29.6%~38%、11.5%~18.8%。防渗墙厚度与渗透坡降具有负相关特征,且降幅在墙厚0.8 m 后减小;导流量150 m3∕s 工况、墙厚度0.4 m 下渗透坡降为25.7,而墙厚度0.6、0.8 m 较前者分别下降了24.9%、46.2%,随墙厚度0.4~0.8 m 变化,渗透坡降平均降幅为26.6%,而在墙厚度1.0、1.2、1.4 m下渗透坡降总共降低了6.8%,平均降幅为3.6%,在墙厚度1.4 m 下渗透坡降为12.4。当导流量增大至250 m3∕s 后,渗透坡降随墙厚度变化实质上仍是如此,在墙厚度0.8 m 后具有降幅减缓特征。由此可知,墙厚度参数并不是一定要最大,而是要合理即可,在模型计算结果中,墙厚度0.6 m 后渗透坡降实质上低于安全允许值30,当墙厚度为0.8 m 时三维流场特征处于最优状态,故选择该方案为最适方案。

图8 渗透坡降与防渗墙厚度变化关系

4 结论

(1)无防渗墙下堰坡下游聚集较多水头线,径流活动较强,孔隙水压力在迎、背水侧均匀稳定;增设防渗墙后,堰坡内水头线集中区迁移至墙底部,孔隙水压力也在墙底部发生突变,防渗墙存在能有效限制堰坡内渗流活动。

(2)围堰导流量愈大,堰坡单宽渗流量愈高,增设防渗墙能减小不同导流量工况下渗流量差异;防渗墙厚度递增,渗流量呈先减后增变化,最低为厚度0.8 m 方案,导流量150、200、250 m3∕s 工况下渗流量分别为2.36、2.83、3.4 m2∕s。

(3)导流量愈大,防渗墙底部渗透坡降愈高,导流量150、200 m3∕s 工况下渗透坡降较250 m3∕s 下分别下降了29.6%~38%、11.5%~18.8%;墙厚度增大,渗透坡降减小,且在墙厚度0.8 m后降幅减缓,导流量150 m3∕s 工况下墙厚度0.4~0.8 与1.0~1.4 m 的渗透坡降随墙厚度0.2 m增大变化分别平均下降了26.6%、3.6%。

(4)从耦合场流态、流场特征考虑,防渗墙厚度0.8 m为最适方案。

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