沐官岛海湾水库拦海坝的渗流与稳定性三维数值模拟分析

曹同钢,朱成浩,刘红军,2*,王志朋

(1.中国海洋大学 环境科学与工程学院,山东 青岛 266100;2.山东省海洋环境地质工程重点实验室,山东 青岛 266100)

引 言

随着我国国民经济持续快速发展,水资源短缺问题越来越严重,尤其是沿海经济发达地区,青岛市水资源时空分布极不均匀,水体污染比较严重,所以青岛市是我国北方的严重缺水地区之一。随着青岛市经济社会的快速发展和城市化水平的不断提高,水资源短缺问题已成为青岛市经济社会可持续发展的主要制约因素之一,在沿海地区兴建河口海湾水库是解决水资源问题的重要途径之一,河口海湾水库的渗流与稳定性越来越引起国内外的重视。拦海坝是河口海湾水库的主要结构物,依靠自身的重量来防止滑动和倾覆。拦海坝容易发生渗漏和不均匀沉降,导致坝体抗剪强度降低,从而导致坝体破坏。

许多学者研究了坝体的渗流与稳定性。Athani等[1]使用Plaxis 3D软件计算坝体的渗流和边坡稳定性,同时分析地表水和地下水之间的相互作用,通过改变杨氏模量和内摩擦角以研究其对坝体稳定性的影响,即随着内摩擦角和杨氏模量的增加,安全系数降低。Zadeh Touri等[2]在实验室水槽中测量渗透流量,并确定坝体模型的浸润线,该土坝模型由回收PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)加固,利用水槽下安装的控制阀测量了输出流量减少对大坝稳定性的影响,并与基于有限元法的软件Plaxis进行了比较。Aniskin等[3]采用土坝各向异性渗流问题的数值解和非稳态条件下通过土石坝心墙的渗透深度计算渗流,分析表明,即使在运行30年后,渗流仍会穿透岩芯一小段距离。Lee等[4]开发了数字滤波装置测量岩石填充坝的渗透速率,并定义该填充坝处于稳定状态,并分析渗流水贮存在水坝体内,含水量受季节降水量影响。Al-Mansori等[5]通过使用SEEP2D程序应用有限元方法研究了坝体的渗流效应,以确定通过大坝的渗流量,并以总水头测量值、岩心渗透率和各向异性比为主要参数,试验了水库不同水头对渗流的影响:随着水头的增加,渗透量增加;输出变量和输入变量通过控制分区土坝渗流量的ANN模型连接起来,结果表明,模型的相关系数R2良好。目前针对大坝的研究主要集中在单一填筑物的坝体渗流与稳定性,而对多种填筑物构成的不规则断面的研究尚浅,对海湾型拦海坝的研究更是报道较少。

本文依托沐官岛海湾水库工程,基于海洋、地质等方面的现场资料,采用有限元分析软件ABAQUS建立大型海湾水库拦海坝渗流与稳定性模型,对坝体和坝基在多种工况下的渗流和稳定性进行数值模拟计算,对坝体稳定性与安全性进行分析,为后续类似项目提供理论和建设参考资料。

1 工程背景

1.1 工程概况

沐官岛水库位于黄岛区里镇横河入海口棋子湾,由主坝连接海湾两侧海岸,与海湾共同构成海湾水库,是中国沿海地区为数不多的、极为典型的海湾型水库,除了需要考虑常规水利工程建设所必需的常规因素之外,影响海湾型水库设计的因素众多,海况复杂。

本区多为风成地貌与海蚀地貌,高程都在10 m以下,根据其沉积物粒级可划分为:粉砂淤泥质潮滩、中细砂海滩及砾砂滩。面向强浪向方向,物质以砾石、粗砂为主,分选极差,磨圆相差也较大。组成物质以中细砾为主,海洋中波浪、海流对其移运作用较弱,其上多有杂草生长;海底地貌比较单调,全为水下岸坡,斜坡和缓,坡比为1:700,最大水深只有5 m,整个湾底向南倾斜,组成物质近岸以粉细砂和砂质粉土为主,远离岸则主要是粉砂。根据浅地层探测记录,该测区主要存在4个明显的声阻抗界面(包括海底面):第一层,泥质粉砂层;第二层,粉质粘土层;第三层,砂层;第四层,以花岗岩为主的基岩(图1)。

图1 胶州沐官岛水库浅地层探测原始剖面记录

1.2 水文条件

沐官岛工程区仅有一个月的潮位资料,不能满足推算不同重现期高水位和低水位的要求。沐官岛与石臼港两地相距约30 km,潮汐性质相似,高潮位同步相关和低潮位同步相关均达99% 以上,且石臼港已有23年连续完整潮位资料,依其潮位资料推算沐官岛的极端高水位和极端低水位。根据石臼港23年最高潮位值和最低潮位值,其不同重现期的高潮位和低潮位采用极值I型分布,按以下公式计算:

(1)

(2)

(3)

表1 工程水位表

1.3 工程地质

沐官岛海域的海底地貌比较单调,全为水下岸坡,斜坡和缓,坡比为1∶700,整个湾底向南倾斜,组成物质近岸以细砂质粉砂为主,远离岸则主要是粉砂,胶州沐官岛水库浅地层探测原始剖面记录参见图1。

根据野外钻探及其室内实验资料结合浅地层剖面分析,库区地层及工程力学性质见表2。

表2 库区地层及工程力学性质

1.4 设计方案

根据兴利调算,为提高水库供水量,减小工程量和工程占地,对当前水库主坝应布置于棋子湾口。根据地形条件,主坝西起大岚村,从南面绕经沐官岛后东至尧头村董家口港区,图2为水库主坝示意图。

图2 海湾水库主坝示意图

图3为沐官岛水库拦海坝横断面。上游为右侧迎河面,下游为左侧迎海面。主坝断面为梯形,库内侧坡比为1∶3,库外测(迎海侧)坡比为1∶1.5。坡底设压重平台,平台宽8.0 m。坝顶宽度为12.0 m,最大坝高约13.0 m。主坝堤心为10～100 kg块石,外部采用扭工字块体护面,护面块体垫层采用150～200 kg块石。根据沐官岛海区波浪性质,护面块体重量为2.5 t。堤心石后方为厚度为0.5 mm的二片石,二片石后方底部为模袋充砂,模袋充砂的上部和后部为石渣回填。石碴后方采用栅栏板护坡。高程1.0 m以下坝体防渗采用水泥搅拌桩,桩径0.6 m,有效墙厚0.5 m,深至弱透水层下2.0 m,并在坝底以下地基中布置同参数水泥搅拌桩63根,桩心距为1.5 m;高程1.0 m以上采用现浇混凝土墙进行防渗,防渗墙顶高程7.2 m,厚0.5 m。

图3 沐官岛水库拦海坝横断面

2 有限元模型

2.1 参数与材料

根据大坝区域工程地质条件和水文条件,综合拦海坝设计方案,建立三维有限元渗流及稳定性模型,坝底高程设为-5.20 m,采用1956 年黄海高程系。有限元分析软件采用ABAQUS,三维模型地平面采用x-y坐标系,竖向采用z轴,向上为正,底面高程为-21.00 m。三维有限元渗流模型共41 860个结构化四边形单元和184 003个节点,三维有限元稳定性模型共40 200个结构化四边形单元和180 303个节点。三维模型尺寸参数为163.0 m×28.5 m×100.0 m,模型网格和坝体网格如图4(a)、(b)所示。

图4 模型网格

由于地质勘查比较详细,坝底地基从上至下按照岩体岩性分为泥质粉砂层、粉质粘土层、中粗砂层、强风化花岗岩层,模型底部为不透水弱风化花岗岩层。坝底外侧海床为透水边界,坝体中设置水泥土搅拌桩防渗墙。坝体填充材料依据1.4节设计方案进行设置,采用适当的参数来模拟各种材料的物理力学特性,剪胀角y与Flow Stress RatioK分别设置为1.0°和0,详细材料参数如表3和表4所示。

表3 坝体材料参数

表4 地基材料参数

2.2 边界条件

渗流模型边界条件要满足入水条件、排水条件、不透水条件[6],上游坡面和下游坡面为自由逸出条件,坝体及地基横断面为不透水边界,地基纵断面为自由透水边界,坝底为不透水边界。根据拦海坝设计工况,上、下游水面及坡面为已知定水头边界,水头值按照表1进行设置。模型整体采用水平、竖直位移约束,以符合实际渗流过程中土体的位移状态。模型边界条件如图5所示。

图5 渗流模型边界条件

稳定性模型边界条件要满足位移约束条件、初始应力场平衡条件、变形自由条件[7]。坝底为竖向、水平向约束边界,地基四周为水平向约束边界,其他部分不作约束。

3 计算结果分析

3.1 渗流分析

以20年一遇潮位工况为例,图6为20年一遇潮位下计算得到的沐官岛水库拦海坝三维模型孔隙水压整体分布。从图6可以看出,从上游至下游,孔隙水压沿地基-坝体-地基表层均匀分布。沿深度方向孔隙水压逐渐增大,在坝体上游侧略有抬高。这是因为在20年一遇潮位工况时,上游坡水位略高于下游坡水位,因此孔隙水压力在上游略有抬高。

图6 20年一遇潮位下孔隙水压整体分布

图7(a)为20年一遇潮位下坝体轴心断面渗流速度矢量分布,图7(b)为20年一遇潮位下坝脚处渗流速度矢量分布的局部放大。从图中可以看出,在20年一遇潮位下,拦海坝能够较好的将海水与淡水阻隔开来,渗流在上游与下游分别发生。渗流整体趋势为:渗流速度在坝体上游坡和下游坡处较大,在坝心处和水泥搅拌桩防渗墙处急剧减小,并且方向由向墙心转为向下。在地基土中,由于泥质粉砂渗透系数较小,渗流速度下降,故地基土中的渗流状况较坝体弱。值得注意的是,渗流速度在坝底砂垫层处较大,而坝底第一、二土层渗透系数较小,直接导致渗流流向拦海坝坝脚处,具有等效排水窄缝效应,说明坝心以及水泥搅拌桩防渗墙有较好的阻水作用,而坝脚处有较好的排水作用[8]。

图7 20年一遇潮位工况渗流速度矢量

图8为50年一遇潮位下计算得到的沐官岛水库拦海坝三维模型孔隙水压整体分布。与20年一遇潮位工况相比较,由于50年一遇潮位工况对应的上游坡水位为-5.20 m,孔隙水压在坝心处出现陡降。图9(a)、(b)、(c)分别为25年、50年与100年一遇潮位下坝体轴心断面渗流速度矢量分布,图9(b)为50年一遇潮位下水泥搅拌桩防渗墙处渗流速度矢量分布,从图中可以看出,在下游坡水位达到3.14 m时,在水泥搅拌桩防渗墙处出现渗流速度,坝心处防渗墙渗流速度值为2.61×10-3cm/s,水泥搅拌桩防渗墙渗流速度值为2.45×10-4cm/s,而在20年一遇潮位工况时未出现渗流速度。产生这种情况的原因可能是在50年、100年一遇潮位时,由于下游坡水位的升高,上游坡水位的降低,导致水压差过大,渗流强度增加,因此桩体内部发生渗流,有可能对桩体的安全稳定性造成威胁,应引起重视并改进方案。

图8 50年一遇潮位下孔隙水压整体分布

图9 不同潮位下坝体轴心断面渗流速度矢量分布

由于防渗墙发生渗流会产生渗漏等持续性安全隐患,直接影响坝体的工程效能,对大坝的稳定性影响很大,因此对坝体的改进加固方案是必要的。对于本工程坝体的加固,应按照以下方案进行:1)采用泥浆填入的方式,将混凝土防渗墙的孔壁进行加固填充,使泥浆灌满墙孔,避免水的进入和流通,使所有的细小水流通道都被阻塞,提高防渗墙的阻水能力;2)应在混凝土防渗墙中添加塑性混凝土,塑性混凝土是水泥、涂料、沙子、水和各种混合物,有极强的防渗性能和优良的变形性能,在提供高效的阻水性能的同时还可允许一定的变形,延缓坝心墙的断裂;3)应控制防渗墙施工的初凝时间,使坝体达到足够的初期强度,并在后续对接等过程中做好接头操作,墙的顶部应严格控制相同高程,在施工过程中确保浇筑量均匀。

3.2 稳定性分析

利用建立的三维有限元模型,对拦海坝在100年一遇潮位工况下的应力与竖向沉降进行模拟计算。图10(a)、(b)为水泥土搅拌桩施工完成后竖向变形云图与竖向应力云图。由图可以看出,水泥土搅拌桩将桩周土挤出,导致坝体上下游侧地基土拱起[9]。提取模型数据得最大水平位移值为2.75 m,最大竖向位移值为0.66 m,出现在离上游坝脚11 m处。水泥土搅拌桩范围内最大沉降值为0.15 m,出现在左右最外侧桩顶处。桩体最大应力值为1 400 kPa,出现在最右侧桩底部。

图10 水泥土搅拌桩施工完成后土体竖向变化

图11为拦海坝施工完毕后竖向变形云图。坝上游坡位最大位移值为0.67 m,与坝下游坡位最大位移值相等,且由位移云图可观察到,位移分布关于坝体中心线对称。在水泥土搅拌桩支撑下,坝底不均匀沉降最大差值为0.15 m,坝底最大沉降发生在坝脚处,坝底中心处沉降值约为0 m,可以认为本文1.4节设计方案稳定性较好,不会发生坝体尤其是心墙的开裂。

图11 拦海坝施工完毕后竖向变形

图12为100年一遇潮位工况下沐官岛水库拦海坝位移云图。在坝下游坡处,由于海水压力作用,竖向位移减小。此时下游坡处最大竖向位移值为0.31 m,与拦海坝施工完毕时竖向位移相差0.36 m,坝脚处竖向位移减小0.04 m。

图12 100年一遇潮位工况下拦海坝位移

4 结论

大坝是水库工程的重要组成部分,目前河海分隔的拦海坝工程还需进行更深入的研究。拦海坝的渗流与稳定性影响水库的使用安全。依托海湾型水库的水文地质调查研究,对沐官岛拦海坝设计方案进行了三维有限元渗流与稳定性模拟分析,得出一些结论:

1)在20年一遇潮位工况下,拦海坝能够较好的将海水与淡水阻隔开来,渗流在上游与下游分别独立发生。砂垫层与坝底第一、二土层渗透系数的差距较大,产生了等效排水窄缝效应,使坝脚处有较好的排水作用,防渗排水设计合理。

2)在50年、100年一遇潮位工况时,混凝土防渗墙和水泥土搅拌桩防渗墙体内发生渗流,应对防渗墙进行改进。采用泥浆固壁、添加塑性混凝土和控制防渗墙施工的初凝时间等方式,提高防渗墙的阻水能力,还可提升坝心墙的变形上限。

3)水泥土搅拌桩范围内最大沉降值出现在左右最外侧桩顶处,桩体最大应力值出现在最右侧桩底部,应注意该处水泥搅拌桩的施工质量,必要时在该桩处使用高标号水泥加固处理。不均匀沉降控制较好,不会发生坝体尤其是心墙的开裂,证明设计方案可将坝体的变形控制在合理范围内,满足安全与稳定性需求。