防渗墙裂缝对沥青混凝土心墙坝坝基渗流的影响分析.pdf

年第 期 水电与新能源 第 卷.:././.收稿日期:作者简介:杨云超男工程师主要从事水利水电工程设计研究工作防渗墙裂缝对沥青混凝土心墙坝坝基渗流的影响分析杨云超(上海勘测设计研究院有限公司上海)摘要:以某深厚覆盖层沥青混凝土心墙堆石坝为例通过建立三维有限元模型进行渗流分析研究其防渗墙裂缝宽度及裂缝型式对坝基渗流场的影响 结果表明防渗墙完好条件下坝基渗流量及渗透稳定性满足规范要求随着防渗墙裂缝宽度以及裂缝条数的增加大坝防渗截面的总渗流量显著增大除裂缝外其余部位渗流量均有所减小坝址下游溢出点土体发生渗透破坏关键词:沥青混凝土心墙堆石坝三维渗流分析防渗墙裂缝渗透破坏中图分类号:.文献标志码:文章编号:()(.):.:深厚覆盖层在我国西南地区的大渡河、金沙江、岷江、雅砻江等河流中普遍发育在深厚覆盖层上建坝是水电工作者必须面对的一个复杂问题 地基防渗方案的可靠性是深厚覆盖层上建坝的关键技术问题目前混凝土防渗墙已经成为深厚覆盖层地基垂直防渗方案中技术比较成熟可靠的工程措施 但是混凝土防渗墙在施工期和运行过程中可能会发生开裂 甚至可能会出现贯穿性的裂缝裂缝的出现会影响坝基渗流场 甚至对工程安全构成威胁 因此研究深厚覆盖层防渗墙开裂对坝基渗流的影响有着重要意义本文以西南地区某水库大坝为例利用有限元软件建立沥青混凝土心墙堆石坝及防渗结构三维有限元模型模拟防渗墙出现裂缝情况进一步研究防渗墙开裂对坝基渗流的影响 工程概况某水电站工程装机容量 水库正常蓄水位 正常蓄水位以下库容.亿 工程规模为大()型工程等别为二等 水库大坝采用沥青混凝土 心 墙 堆 石 坝 坝 顶 高 程 最 大 坝 高.坝顶宽度 坝顶长度 上下游坝坡坡比均为 .大坝沥青混凝土心墙为直心墙从顶部.渐变至底部.并在底部设置.宽水 电 与 新 能 源 年第 期放大脚坝址区河段呈“”型深切河谷地貌河道较单一河流蜿蜒曲折 坝基覆盖层深厚覆盖层最大厚度为 坝基主体以砂卵砾石层和冰积含孤块碎(卵)石层组成渗透系数为 /整体属中等 强透水性局部粉土、粉砂及细砂层为弱透水层渗透系数为 /坝基渗漏及渗透稳定问题较为突出大坝坝基防渗设计采用全封闭防渗墙方案混凝土防渗墙厚 防渗墙最大深度 防渗墙与沥青混凝土心墙之间采用净空 .(宽 高)的廊道相连坝肩两岸采用一排基岩帷幕灌浆帷幕灌浆最深处高程 .在 .高程以上帷幕灌浆控制标准为深入 线以下 大坝典型剖面示意图见图 图 沥青混凝土心墙堆石坝典型剖面示意图 渗流基本理论及三维计算模型.渗流基本理论根据达西定律和水流连续性方程不考虑土体压缩性时三维各向异性非均质介质的稳定渗流方程如下式:三维渗流场计算分析过程中边界条件如下:)初始条件给定上游总水头即对应计算工况的上游水位:)不透水边界条件:)渗流面:()()式中 为边界外法线方向.计算模型根据坝址区工程地质勘察资料及工程结构布置资料建立大坝完整防渗体系及上下游结构的三维有限元模型如图 及图 所示 模型以坝轴线为中心分别向上下游及两岸延伸 倍坝高沿坝轴线方向尺寸为 垂直坝轴线方向尺寸为 以坝顶高程为基准向坝基以下延伸 倍坝高 有限元整体模型包含坝体分区结构、坝址区地层结构及由沥青混凝土心墙、廊道、混凝土防渗墙、帷幕灌浆组成的完整防渗体系对上述模型进行网格划分采用四面体单元对沥青混凝土心墙、防渗墙及灌浆帷幕等重要防渗结构的网格进行加密处理有限元网格共有 个节点和 个单元图 三维整体有限元模型图图 防渗体系有限元模型图.计算参数模型中各部分材料计算参数采用勘察报告中的现杨云超:防渗墙裂缝对沥青混凝土心墙坝坝基渗流的影响分析 年 月场试验参数具体见表 所示表 材料参数表材料计算采用的渗透系数/()允许水力坡降沥青混凝土心墙 过渡料.上游堆石区.下游主堆石区.下游次堆石区.压重.水平反滤层.混凝土防渗墙 弱风化弱卸荷 强风化强卸荷 墙下灌浆帷幕 含漂砂卵砾石、含孤块碎石土().细砂、粉土层().计算工况本文重点研究防渗墙开裂对坝基渗流场的影响分别对防渗墙完好条件和防渗墙产生裂缝情况进行数值模拟计算并对计算结果进行对比分析 计算工况均采用正常蓄水位工况坝体上游水位.坝体下游处于无水状态 防渗墙完好条件下三维渗流场分析防渗墙完好条件下各防渗部位渗流量计算结果见表 大坝防渗截面总渗流量 ./小于坝址区多年平均径流量的 计算结果满足工程要求图 为防渗墙完好条件下坝体典型剖面总水头分布结果图 为防渗墙完好条件下坝体典型剖面压力水头分布结果 总水头等值线主要集中在沥青混凝土心墙、防渗墙、帷幕灌浆等处压力水头线在心墙和防渗墙前后形成突降结果表明:由沥青混凝土心墙和混凝土防渗墙组成的防渗系统消减水头作用明显具有较好的防渗效果 渗透坡降计算结果显示防渗墙最大渗透坡降为.沥青混凝土心墙最大渗透坡降为.渗透坡降均小于允许值 坝体下游侧河床覆盖层最大渗透坡降.小于覆盖层允许渗透比降.故渗流溢出点处未发生渗透破坏 在防渗墙完好情况下采用防渗墙入岩全封闭防渗方案坝基渗漏量及渗透坡降均满足规范及一般工程经验要求说明防渗方案安全可靠表 坝轴线处防渗截面渗流量/部位沥青混凝土心墙防渗墙灌浆帷幕强风化层弱风化层微鲜岩石总渗流量大坝防渗截面.图 计算典型剖面总水头分布图图 计算典型剖面压力水头分布图水 电 与 新 能 源 年第 期防渗墙裂缝对坝基渗流场的影响分析.横向裂缝宽度的影响根据工程经验坝基防渗墙与灌浆廊道结合部位以下出现裂缝的概率较大故假定防渗墙上部(灌浆廊道以下)出现横向裂缝如图 所示 裂缝长度 宽度分别为.、.和.模型中裂缝按照实际尺寸进行模拟 考虑裂缝受覆盖层土体颗粒充填裂缝模型渗透系数取为覆盖层土体的渗透系数图 混凝土防渗墙横向裂缝示意图防渗墙出现宽度分别为.、.和.裂缝的三种情况下坝基总渗流量分别为 .、./和 ./总渗流量相比防渗墙完好情况分别增大.、.和.由于防渗墙出现裂缝导致裂缝成为防渗截面的薄弱部位在裂缝发生位置出现集中渗漏通道总渗流量增大但是其余部位渗流量相比防渗墙完好情况下均有所减小 裂缝宽度为.、.和.三种情况下坝体下游侧河床覆盖层最大渗透坡降分别为.、.、.大于覆盖层土体允许渗透比降.土体均已发生渗透破坏.纵向裂缝条数的影响本工程采用防渗墙入岩全封闭防渗形式大坝蓄水后在上游水压力作用下防渗墙将产生向下游变形趋势由于两岸基岩对防渗墙的约束作用较强根据工程经验在防渗墙与两岸基岩接触处以及防渗墙中部可能出现多条竖向裂缝假定竖向裂缝长度 宽度 分析防渗墙出现 条、条及 条裂缝时对坝基渗流场的影响 防渗墙竖向裂缝分布如图 所示裂缝按照实际尺寸进行模拟三维渗流分析结果表明防渗墙出现 条、条及 条竖向裂缝情况下坝基总渗流量分别为 .、图 混凝土防渗墙竖向裂缝示意图./和 ./总渗流量相比防渗墙 完 好 情 况 分 别 增 大.、.和.防渗墙出现 条、条及 条竖向裂缝情况下坝体下游侧河床覆盖层最大渗透坡降分别为.、.、.大于覆盖层土体允许渗透比降.坝体下游溢出点土体均已发生渗透破坏 结 语)防渗墙完好条件下计算渗流场的分布符合基本规律沥青混凝土心墙和混凝土防渗墙以及灌浆帷幕组成的防渗系统消减水头作用明显具有较好的防渗效果坝基总渗流量较小满足工程要求坝址下游河床覆盖层渗透坡降小于允许渗透坡降未发生渗透破坏)随着防渗墙裂缝宽度以及裂缝条数的增加大坝防渗截面的总渗流量显著增大除裂缝外的其余部位渗流量均有所减小坝址下游河床覆盖层渗透坡降逐渐增大大于允许渗透坡降土体发生渗透破坏 因此施工过程中控制防渗墙的施工质量至关重要参考文献:许强 陈伟 张倬元.对我国西南地区河谷深厚覆盖层成因机理的新认识.地球科学进展 ():黄小宁 覃新闻 彭立新 等.深厚覆盖层坝基防渗设计与施工.北京:中国水利水电出版社 于利均.防渗墙施工中裂缝产生的原因和对策研究.人民黄河 ():宋瑞华 曲苓 李炳奇.克孜尔水库右坝肩防渗墙裂缝原因分析.水利规划与设计():盛金昌 赵坚 速宝玉.混凝土防渗墙开裂对坝基渗透稳定性的影响.水利水电科技进展 ():许国安 扬凯宏 武桂生.小浪底水库坝基防渗墙裂缝对渗流控制的影响.人民黄河():毛昶熙 段祥宝 李祖贻.渗流数值计算与程序应用.南京:河海大学出版社