基于数值模拟探讨强透水坝基渗透安全性.pdf

人民黄河YELLOWRIVER第45卷S12023年6月Vol.45，Sup.1Jun.，2023为了美化环境和涵养水源，在河道生态治理中一般采取拦河修建多道溢流坝，形成连续的阶梯水面，这些溢流坝大都坐落在土基或强透水地基上。如何确保强透水地基上的溢流坝渗透安全是设计人员首先要解决的问题，对于较深强透水覆盖层坝基，将覆盖层清除后再建溢流坝不仅投资较大且不符合生态理念。本文以山东省青州市南阳河下游坝沟水库溢流坝坝基防渗处理措施为例，运用有限元数值模拟法，在确保河道生态健康的前提下，对防渗墙深度与坝基渗流量的关系、防渗墙深度与渗透坡降的关系进行了分析，对强透水地层上修建溢流坝的防渗方案进行了分析，对渗透稳定问题及需要注意的问题进行了探讨，以期为类似工程提供参考。1坝基渗透安全性有关理论问题概述1.1坝基渗漏的原因拦河建筑物修筑后，在上下游水头差作用下，水流通过坝基透水体向下游渗漏，依其产生部位的不同分为坝基渗漏和绕坝渗漏，绕坝渗漏能够通过坝端回填黏土等延长渗径的办法解决，本文重点探讨坝基渗漏问题。1.2坝基渗流量计算方法1坝基渗流量计算方法主要有物理实验模拟法、解析求解法、数值模拟法等，目前常用的是有限元数值模拟法，即假定土体和水体是不可压缩的，则任一时刻流出某单元体的水量与流进该单元体的水量相等，由此可得土体稳定渗流的控制方程（Laplace方程）：x x Hk,y+y Hk,z+z Hk,0（1）式中：H为渗流总水头；x、y、z为空间三维坐标；kx、ky、kz为坝基土的三维渗透系数。利用有限元法求解渗流量，即计算单元某一条边的流量。取任意二边界之间的一排单元的边为过流断面，如图1中节点K、L、M、N的连线构成过流断面AA，2个节点间的断面即为渗流量计算区段。对坝基进行渗流量计算时，按地形地质条件沿坝轴线方向分为n个计算区段，区段宽为Li（i1，2，n），则总渗流量计算公式为：Q=Qi=qiLi（2）式中：Qi为第i区段渗流量；qi为第i区段单宽流量。1.3坝基渗漏可能产生的后果坝基渗漏会产生以下后果：直接降低水库的蓄水效益；渗流产生的扬压力需要相当大的坝体质量来平衡；坝底渗径相对较短，有可能产生渗透变形并危及坝体安全。因此，坝基防渗对水库坝体的安全运用至关重要。2工程设计实例2.1工程概况南阳河发源于山东省青州市王府办事处玲珑山北麓和郎公山北麓，流域面积171 km2，干流全长32.5 km。为改变城市生态环境、涵养地下水源，结合河道生态整治，在南阳河下游修建了10道浆砌石WES溢流坝，形成连续水面，成为城区一道靓丽的风景线。坝沟水库位于南阳河下游城区段，属小（2）型水库，库容49.8万m3，其坝体是众多溢流坝中坝高最高（5.5 m）、坝体最长（209 m）的拦河坝，下部为浆砌石WES溢流坝，上部为交通桥（桥墩坐落在溢流坝坝体上），浆砌石结构，坝上游面直立坡和11斜坡组合，采用上部防渗面板和下部防渗齿墙紧密相连的防渗措施。该溢流坝坝基坐落在强透水土基上，土基主要由第四系松散堆积物组成，其中：层为粉质黏土，平均厚度为1.7 m；层为圆砾土，砾石成分主要为灰岩，粒径0.35.0 cm，混大量中粗砂及少量黏土，平均埋深6.0 m，渗透系数为6.010-2cm/s；层为粉质黏土，分布均匀，平均埋深11.0 m，渗透系数为2.010-3cm/s，此层可视为相对不透水层。坝基地层主要物理力学参数见表1。2.2坝基防渗方案比选针对目前施工水平和常用的坝基防渗措施，拟定了3种坝基防渗方案：一是复合土工膜防渗，二是悬挂式防渗面板+齿墙防渗，三是封闭式防渗帷幕防渗。3种防渗方案的优缺点见表2，经综合比选，采用方案二。基于数值模拟探讨强透水坝基渗透安全性程素珍1，许尚杰1，程可钦2，刘莉莉1（1.山东省水利科学研究院，山东 济南250014；2.山东水发人才发展集团有限公司，山东 济南250014）摘要：为了美化环境和涵养水源，在河道生态治理中一般采取拦河修建多道溢流坝，形成连续的阶梯水面，这些溢流坝大都坐落在土基或强透水地基上，如何确保强透水地基上的溢流坝渗透安全是设计人员首先要解决的问题。对于较深厚强透水覆盖层坝基，将覆盖层清除后再建溢流坝不仅投资较大且不符合生态理念。以山东省青州市南阳河下游坝沟水库溢流坝坝基防渗处理措施为例，运用有限元数值模拟方法，在保障河道生态健康的前提下，对防渗墙深度与坝基渗流量的关系、防渗墙深度与渗透坡降的关系进行了计算分析，对强透水地层上修建溢流坝的防渗方案进行了分析，对渗透安全问题进行了探讨，并对在实际运用中需要注意的问题提出了建议，可供类似工程防渗设计时参考。关键词：强透水地基；溢流坝；防渗措施；渗透安全性；坝沟水库中图分类号：TV652.1；TV223.6文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1000-1379.2023.S1.044收稿日期：2022-08-09作者简介：程素珍（1972），女，山东济南人，正高级工程师，主要从事水利水电工程规划设计工作E-mail：AKMNAL图1渗流量计算断面示意表1坝基地层主要物理力学参数土层编号土层名称粉质黏土圆砾土粉质黏土重度/（kN m-3）19.220.1019.10黏聚力/kPa25.50025.80内摩擦角/（）21.203018.30渗透系数/（cm s-1）2.010-36.010-22.010-3 86人 民 黄 河2023年S1表2坝基防渗方案优缺点比较方案方案一方案二方案三主要防渗措施布置在溢流坝下垂直水流方向和上游两岸50 m范围内护坡铺设复合土工膜，埋入相对不透水层至少1.0 m溢流坝下垂直水流方向设置防渗面板+齿墙，埋入相对不透水层至少1.0 m溢流坝下垂直水流方向设置防渗墙，嵌入岩基至少1.0 m优点造价较低，防渗效果较好，施工简单、工期短防渗措施可靠、效果较好，施工简单、工期短，对生态河道治理影响较小防渗效果最好，防渗措施可靠，对生态河道治理影响较小缺点存在被冲刷暴露的风险，土工膜易老化，影响河道水质造价较高施工较复杂、工期较长，造价最高2.3防渗墙深度与坝基渗流量关系分析采用土坝二维有限元渗流计算软件（SEEP/W）对防渗墙深度分别为0、2、4、5、7、9、11 m时的坝基渗流量进行计算，结果分别为103.56、84.95、60.78、13.53、5.43、3.19、0.008 m3/（d m）。计算结果表明，随着防渗墙深度的增加，坝基渗流量逐渐减小，当防渗墙深度为5 m即达到圆砾层和粉质黏土层分界线附近时，渗流量明显减小，随着防渗墙深度的继续增加，渗流量减小的幅度明显变小，深度到达11 m时渗流量几乎为零。对于生态河道治理来说，渗流量为零并不是理想效果，此外，从经济角度来说，防渗墙深度越大投资越大，因此防渗墙深度不宜太大，考虑到该溢流堰下游生态用水的补给需要，经综合分析，防渗齿墙深度选取为7.0 m，此时渗流量为5.43 m3/（d m），既可保证防渗效果和坝基稳定，又能满足下游生态河道用水的需要。为了进一步了解防渗墙深度与渗透坡降的关系，采用土坝二维有限元渗流计算软件（SEEP/W）进行了数值模拟计算，结果表明，随着防渗墙深度的增加，下游坝底的渗透比降越来越小，下游出逸点渗透比降也越来越小，而防渗墙本身的渗透比降随着深度的增加而增大，在防渗墙深度为5 m即达到圆砾层和粉质黏土分界处时，渗透比降达到最大，而后随着防渗墙深度的增大渗透比降逐渐减小，防渗墙深度为8 m时渗透比降达到最小。综合考虑防渗墙深度与渗流量、渗透比降的关系，建议防渗墙深度达到两种介质分界处以下13 m即可。2.4溢流坝防渗方案具体设计2坝沟水库溢流坝防渗方案由坝体防渗和坝基防渗构成一个整体，坝体防渗是在浆砌石溢流坝坝体上游设置厚0.6 m的C20混凝土防渗面板，坝基防渗是在防渗面板下部设置C20混凝土防渗齿墙，防渗面板下部与防渗齿墙紧密相连，上部与坝体同高，分别伸入两岸相对不透水层至少1 m，形成封闭的防渗体系。考虑到坝底板地基为圆砾土，渗透系数为6.010-2cm/s，参考上述有限元数值模拟计算成果，确定防渗齿墙设计深度为7 m。2.5坝基渗透稳安全性分析前述渗流分析计算结果表明，无防渗措施时坝基渗流量为103.56 m3/（dm），采取防渗措施后坝基渗流量为5.43 m3/（dm），防渗效果十分明显。坝基土渗透变形类型为管涌和流土，管涌临界水力比降为0.35、允许水力比降为0.23，流土临界水力比降为1.04、允许水力比降为0.52，采用土坝二维有限元渗流计算软件（SEEP/W）对有无防渗措施的渗流流网进行模拟并计算了不同工况的渗透比降，结果表明各工况的最大渗透比降均小于允许水力比降，不会发生渗透破坏。该溢流坝建成运行5 a多来的现场观察情况表明，其防渗效果良好，基本达到了“滴水不漏”，大坝安全运行，理论计算结果与实际情况一致。3结语（1）坝基无防渗措施时渗流量为103.56 m3/（d m），采用防渗措施后渗流量为5.43 m3/（d m），防渗效果显著，说明设计的强透水坝基防渗措施是合适的。（2）运用二维有限元数值模拟方法分析了防渗墙深度与渗流量、渗透比降的关系，并对其防渗效果进行分析研究，可为同类工程防渗控制措施设计提供参考。（3）综合考虑防渗墙深度与渗流量、渗透比降的关系，建议防渗墙深度达到两种介质分界处以下13 m即可。参考文献：1 王开拓，谢利云，刘辉.库水位降落作用下均质土石坝渗流场及坝坡稳定性分析 J.水电能源科学，2018，36（8）：81-84，51.2 刘瑞新，曹丁涛，胡东祥.基于原位实测的下组煤底板岩层阻渗性研究 J.水文地质工程地质，2016，43（1）：105-110.责任编辑张智民（上接第85页）配筋设计中，进而给出坝体中预制廊道系统的配筋形式，使得预制廊道结构内力及配筋计算变得精确且简单有效。（3）子模型技术在坝体预制廊道系统中的应用可推广至其他体形或受力条件复杂的水工建筑物结构计算中。参考文献：1 冯蕊，何蕴龙，白新革.高心墙堆石坝坝基廊道受力特性研究 J.岩土工程学报，2017，39（7）：1241-1250.2 冯蕊，伍小玉，何蕴龙，等.深厚覆盖层上超高心墙堆石坝坝基廊道非线性开裂分析 J.四川大学学报（工程科学版），2015，47（1）：60-67.3 陈琴，龚亚琦，祁勇峰，等.自重施加方式对高拱坝廊道结构应力及配筋的影响 J.长江科学院院报，2017，34（12）：111-114.4 潘燕芳，黎满林.大岗山拱坝泄洪深孔配筋设计研究 J.人民长江，2014，45（22）：65-68.5 李艳.溪洛渡高拱坝孔口配筋设计研究 D .南京：河海大学，2007：10.6 孙建生，侯爱民.重力坝廊道周边应力有限元分析 J.水力发电，2011，37（9）：49-52.7 陈灯红，彭刚，陈高峰，等.龙滩重力坝21坝段及引水道三维结构分析研究 J.三峡大学学报（自然科学版），2008，30（2）：16-19.8 戚蓝，张哲铭.基于Kriging-子模型法的混凝土大坝廊道安全分析J.水力发电，2020，46（5）：67-70.【责任编辑张华岩】87