基于数值模拟的土石坝防渗墙渗流稳定性分析

贺仁臣

(深圳市深水水务咨询有限公司,广东 深圳 518000)

1 概 述

据统计,截至2011 年,我国已建完且投入使用的水库大坝约98 000 座。 调查显示,在大坝所引发的事故中,最常见的主要是由于渗流导致的。

目前,相关研究主要集中于大坝防渗稳定性方面。 包腾飞等[1]基于非线性有限元分析,系统研究了深厚覆盖层上的面板堆石坝防渗布置最优方式。 结果表明,采用单连接板和单防渗墙体系的防渗方案是具有结构简单、造价低的防渗布置方案。 温立峰等[2]基于数值分析,研究了深覆盖层上面板堆石坝防渗墙应力变形规律。 结果表明,大坝采用分期填筑的方式可有效降低防渗墙的变形,其中防渗墙的贯入深度越大,大坝的安全性越高。 柳莹等[3]基于现场实测数据,系统研究了深厚覆盖层防渗墙渗流稳定性。 结果表明,实际工程中,提高监测仪器成活率和监测数据精度,更直观准确反映各因素对防渗墙的影响规律和防渗墙的运行性状变化。 罗玉龙[4]等估计与多孔介质渗流理论,系统研究了深厚覆盖层中新型扩底防渗墙的防渗效果。 结果表明,扩底结构形式的防渗墙与常规形式相比,能够显著降低防渗墙端部和下游坝脚出溢处的最大坡降。此外,防渗墙端部的最大渗透坡降和下游坝脚出溢处的最大渗透坡降随着扩底结构半径增大而减小。 王正成等[5]基于数值模拟,研究了深厚覆盖层弱透水层对防渗墙防渗效果的影响。 结果表明,半封闭式防渗墙可以有效减小坝基渗流及坝基出逸坡降。 在实际工程中,防渗墙和弱透水层联合防渗,可显著提高垂直防渗墙的控渗效果。

针对目前对于防渗墙渗流稳定性的相关研究较少,本文建立数值计算模型,系统研究防渗墙渗流稳定性,研究结果可为大坝防渗墙的设计及加固提供参考与借鉴。

2 工程概况与数值模型

本文研究的坝体采用粉质黏±心墙坝,最大坝高30.4m,校核洪水位3 402m。 根据现场钻孔资料揭示,坝址所在地层由上到下：第一层为冲积砾石层,厚度3～30m;第二层为冲积砾石层,厚度为30～50m;第三层为上更新统的冲积砾石层,厚度为60～80m。

根据大坝的实际情况,建立数值计算模型。为了模拟防渗墙和岩±体的接触,本文在两者之间设置Goodman 接触单元。 最终模型的网格总数为25 780 个,节点单元为27 980 个。 模型典型断面图见图1。

图1 大坝典型剖面图

模型方向假定河水流向为X 轴,与河水流向垂直为Y 轴。 数值模型中,网格划分均采用四边形单元;岩±体本构为摩尔-库伦模型。 计算模型中,材料渗透系数见表1;材料物理力学参数见表2。

表1 材料渗透系数

表2 材料物理力学参数

考虑本文研究内容,计算工况主要选取4 种：①防渗墙最大深度92m,渗透系数见表2;②防渗墙位置为覆盖层I 底面,覆盖层II 与覆盖层I 渗透系数比值为0～2;③防渗墙位置为覆盖层II 底面,覆盖层III 与覆盖层II 渗透系数比值为0～2;④防渗墙位置为覆盖层III 底面,强风化基岩与覆盖层III 渗透系数比值为0～2。

3 结果与分析

3.1 防渗墙深度对渗流场影响分析

图2 为工况1 防渗墙深度与渗流量及占来水量关系。 由图2(a)可知,坝基渗流量和总渗流量随防渗墙的深度增大而减小,而坝体渗流量基本保持不变。 在防渗墙深度为40m 以下时,坝基渗流量和总渗流量随防渗墙的深度增大而减小速度非常快;当防渗墙深度大于40m 时,两种渗流量的变化速率趋于平缓,即防渗墙深度的增大对渗流量的影响程度越来越小。 由图2(b)可知,随着防渗墙深度的增大,占来水量比随之减小,且随防渗墙深度逐渐增大,占来水量比的影响越来越弱,其中控制渗漏量占来水量小于1%。 综合以上分析可知,防渗墙深度大于40m,即可满足防渗要求。

图2 工况1 防渗墙深度与渗流量及占来水量关系

图3 为工况1 水力坡降与渗流量关系。 由图3(a)可知,防渗墙底部水力坡降随防渗墙深度增大而增大,但当防渗墙深度大于40m 时,水力坡降增大速度趋于平缓。 而水力坡降随深度增大呈折线变化规律,在防渗墙深度分别为40 和90m 时,出现最大的水力坡降。 由图3(b)可知,工况1 出逸点水力坡降随防渗墙深度的增大而逐渐减小,当防渗墙深度大于40m 时,水平坡降变化逐渐趋于平缓。 综合来看,随防渗墙深度增大,墙体的水力坡降均小于混凝±允许坡降。 当防渗墙深度大于40m 时,大坝后出逸水力坡降迅速减少,并且可以满足覆盖层的允许水力坡降,因此坝体是安全的。

图3 工况1 水力坡降与渗流量关系

图4 为工况2 防渗墙深度与渗流量及占来水量关系。 由图4(a)可知,坝基渗流量和总渗流量随防渗墙的深度增大而减小,而坝体渗流量基本保持不变。 在防渗墙深度为40m 以下时,坝基渗流量和总渗流量随防渗墙的深度增大而减小速度非常快;当防渗墙深度大于40m 时,两种渗流量的变化速率趋于平缓,即防渗墙深度的增大对渗流量的影响程度越来越小。 由图4(b)可知,随着防渗墙深度的增大,占来水量比随之减小,且随防渗墙深度逐渐增大,占来水量比的影响越来越弱。 此外,图5 为工况2 水力坡降与渗流量关系。 综合来看,工况2 相关的大坝渗流量及防渗墙的水力坡降变化规律基本与工况1 相似。 防渗墙深度大于40m 时,大坝后出逸水力坡降迅速减少,因此坝体是安全的。

图4 工况2 防渗墙深度与渗流量及占来水量关系

图5 工况2 水力坡降与渗流量关系

3.2 材料渗透系数敏感性分析

图6 为不同工况下防渗墙水力坡降与渗透系数比的关系。 由图6 可知,当无量纲渗透系数小于1,随着渗透系数比的增大,不同工况下防渗墙底部水力坡降减小,但影响速率越来越平缓。但综合来看,水力坡降大于覆盖层的允许水力坡降。 由于防渗墙的存在导致水流通过受阻,且防渗墙深度越大,墙体两侧压力差越大,导致底部水力坡降增大。

图6 水力坡降与渗透系数比关系

在实际工程中,对于封闭式防渗墙而言,由于覆盖层与基岩渗透系数差异性非常大,因此防渗墙深度需嵌入到基岩中,这样可有效避免防渗墙底部水力坡降导致的局部冲刷破坏。

4 结 论

本文采用数值模拟,系统研究了混凝±防渗墙在不同工况下的渗透稳定性。 结论如下：

1)不同工况下,坝基渗流量和总渗流量随防渗墙的深度增大而减小,而坝体渗流量基本保持不变。 在防渗墙深度为40m 以下时,坝基渗流量和总渗流量随防渗墙的深度增大而减小速度较显著。

2)防渗墙深度对渗流场影响分析表明,当防渗墙深度大于40m 时,渗流量的变化速率趋于平缓。 在实际工程中,防渗墙深度大于40m,即可满足防渗要求。

3)当无量纲渗透系数小于1 时,随渗透系数比的增大,不同工况下防渗墙底部水力坡降减小,但影响速率越来越平缓。 对于封闭式防渗墙而言,由于覆盖层与基岩渗透系数差异性非常大,因此防渗墙深度需嵌入到基岩中,这样可有效避免防渗墙底部水力坡降导致的局部冲刷破坏。