基于有限元分析的土石坝防渗加固效果研究.pdf

第 29 卷第 9 期2023 年 9 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.9September,2023收稿日期 2023-03-27作者简介 陈建华(1976-),男,江西玉山人,工程师,主要从事水利工程管理工作.doi:10.3969/j.issn.1006-7175.2023.09.029基于有限元分析的土石坝防渗加固效果研究陈建华(江西省玉山县七一灌区水资源保护中心,江西 玉山 334700)摘 要渗流问题是土石坝工程中经常面临的问题,会对水库的正常使用造成严重的影响。为了评价振动射冲成槽防渗墙对大坝的防渗效果,通过有限元模拟计算分析防渗墙各参数对其防渗效果的影响。结果表明,防渗墙所处位置对其防渗效果会造成较大的影响,其位置和坝轴线重合时,最为实用与合理;仅仅提高防渗墙厚度并不能持续增强防渗效果,防渗墙厚度为 0.2m 时,性价比最高,效果最好;防渗墙防渗性能的优劣受到其渗透系数的直接影响,渗流量随着防渗墙渗透系数的提高而提高,两者表现为线性正相关关系;总水头曲线随着防渗墙墙长的提高而减小,但减小幅度较小;在设计防渗墙入土深度时,防渗墙深度设为伸入渗透系数较小的粉质黏土层,以保证整个坝基和坝体的稳定性和安全性。关键词渗流;有限元模拟;防渗墙;水库;土石坝工程中图分类号 TV223.4 文献标识码 A 文章编号 1006-7175(2023)09-0139-040 引 言随着自然环境的变化、管理方面的不足以及灾害的发生,导致我国部分水库受到破坏。据统计,国内病险水库近百座,而水库一旦出现破坏,会对附近居民的生命财产安全造成严重的损害,所以对水库的加固修复工作迫在眉睫1-3。其中,渗流是导致水库破坏的主要因素。渗流运动会形成渗透压力和负孔隙水压,极易造成坝坡滑移、流沙、管涌等现象,严重影响大坝的安全性和稳定性。渗流对大坝整体稳定十分关键,在设计时应将渗流的影响考虑在内,许多学者对此进行了分析和研究4-5。侯恩传等6通过有限元,分析了冲抓套井回填技术加固大坝前后坝体的渗流变化情况,给大坝加固方案的优化提供了思路。李卓等7分析了降雨对土石坝渗流及其稳定性的影响,揭示了坝坡安全系数和渗透比降、孔隙水压的关系。基于此,为了评价振动射冲成槽防渗墙对大坝的防渗效果,本文通过有限元模拟计算分析防渗墙各参数对其防渗效果的影响,研究成果可为相关工程提供参考和借鉴。1 研究区概况某水库蓄水面积 11.15km2,水库的设计库容5 000104m3。水库类型为湖泊式平原水库,主要功能包括保障居民用水、供给附近区域工业生产用水、农业灌溉等。工程建于 1990 年,分期建造完成。1994 年 11 月,开始施工一期水力冲填筑坝,筑坝高度 2m;1998 年 11 月,一期工程完工,初步进行低水位运行;2002 年,二期工程完成,水库正式开始使用。之后水库于2008 年停止使用,当作备用水库。2018 年,当地用水量不断提高,当地部门决定将水库重新投入使用,同时分析了水库恢复使用可行性。水库坝基土层类型见表 1。931第 29 卷第 9 期2023 年 9 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.9September,2023表 1 各层土体类型土层土壤类型-2黏土、粉质黏土-3粉砂、粉土粉质黏土粉土弱透水性粉质黏土弱透水性淤泥质土 此外,水库由于长期停用,围坝防渗出现破坏、漏渗等现象,坝基坝体土体渗透系数均超过国家标准,不满足使用标准。因此,水库恢复使用前必须对围坝采取加固防渗措施,通过方案对比分析,采用振动射冲成槽防渗墙来加固围坝。2 有限元分析防渗加固效果2.1 模型建立在建立模型时,因为只对渗流因素进行考虑,土体选择弹性模型,对全部节点的位移自由度进行约束。计算时,节点数和有限元网格数分别为 2 821 个和 2 670 个,选择 CPE4P 作为单元类型。2.2 防渗效果受防渗墙偏离坝轴线位置的影响为了评价设计中东坝断面防渗墙所处位置是否正确合理,改变防渗墙位置,再次和工况 1(防渗墙和坝轴线重合,也是设计位置)进行对比分析,调整位置依次为坝轴线上游(工况 2)、下游偏位 1m(工况 3)。将无防渗墙工况(工况 4)和以上 3 种防渗墙工况进行比较,具体结果见表 2。表 2 各工况围坝渗流情况工况类型墙内比降单宽渗流量/m3(dm3)-1防渗墙消耗水头占总水头比/%墙底水平坡降工况 15.20.51925.70.41工况 25.10.52625.30.4工况 35.30.53626.20.42工况 40.618 从表 2 能够看出,工况 3 中防渗墙消耗水头、墙内比降和墙底水平坡降均大于其他工况。当防渗墙位置和上游水位距离越来越远时,工况 1-工况 3 对渗流的影响均表现为线性相关。工况 1的单宽流量最低,与工况 4 相比,单宽流量下降约 16%,工况 3 和工况 2 分别下降 12%和 13%。因为与单宽渗流量相比,墙内比降、消耗总水头的百分比以及墙底比降造成的影响较小,因此工况 1 坝轴线和防渗墙相重合较为实用,也证明了该方案的合理性。2.3 防渗效果受防渗墙宽度的影响为了研究防渗墙宽度对防渗性能的影响,对整个坝基坝体在不同防渗墙宽度时的消耗水头占比、墙内比降、渗流量以及墙底水平坡降的变化情况进行分析。设置 4 种防渗墙的宽度,依次为 0.6、0.4、0.2m 以及无防渗墙(0m)。见表 3。表 3 各防渗墙宽度渗流情况工况类型墙内比降单宽渗流量/m3(dm3)-1防渗墙消耗水头占总水头比/%墙底水平坡降0.6m5.40.48929.30.430.4m5.30.501290.420.2m5.20.51925.70.410m(无防渗墙)0.618 从表 3 结果能够得出,当防渗墙宽度越来越大时,消耗水头值、墙内比降、渗流量以及墙底水平坡降的变化趋势均表现为线性。虽然单宽渗流量有所降低,但降低幅度较小,仅降低 3%和5.6%,没有体现出较好的防渗效果。造成此现象是因为防渗墙出现渗流时,墙体减小了水流流速,提高了阻力,当增加防渗墙宽度时,墙内径流增长,在一定程度上提高了工程成本和施工难度,还没有达到预期的防渗效果。因此,不能单纯地以提高防渗墙厚度的方式来增强防渗效果,041陈建华:基于有限元分析的土石坝防渗加固效果研究第 9 期要在规定的防渗标准下,合理制定防渗墙的厚度。通过对比,防渗墙厚度为 0.2m 时效果较好,也最经济。2.4 防渗加固效果受防渗墙渗透系数的影响因为施工现场环境复杂、条件多变以及工人素质的高低不一,防渗墙的施工质量通常低于设计标准,常常出现薄弱层、空洞等问题,这就使防渗墙渗透系数大于设计值,无形中降低了防渗标准。为了分析防渗加固效果受防渗墙渗透系数的影响规律,确定防渗加固中防渗墙渗透系数的重要程度,拟定防渗墙渗透系数 kh依次为 1010-6cm/s、设计值(510-6cm/s)以及 0(不透水情况)。各渗透系数下的相关数据见表 4。从表 4中能够得出,防渗墙不透水时消耗了总水头的81.7%,基本上将水全部拦截在上游侧。水在流经上部防渗墙时,因为防渗墙基本不透水,且坝体上部土基质吸力的存在,导致水在流至防渗墙时顺着防渗墙朝上部移动;在水流至防渗墙底部时,同样因为防渗墙基本不透水,导致水从防渗墙底部绕流而过,并且于下游坝基中再次出现渗流,从而导致在集渗沟部位溢出。表 4 各渗透系数渗流情况工况类型墙内比降单宽渗流量/m3(dm3)-1防渗墙消耗水头占总水头比/%墙底水平坡降渗透系数 1010-6cm/s30.58814.40.76渗透系数 510-6cm/s5.20.51925.70.41渗透系数为 016.340.39981.70.58无防渗墙0.618 从表 4 数据中可知,在防渗墙基本不透水时,其允许坡降(6.3)远远小于墙内比降(16.34),但是局部孔隙水压力和墙内比降较高,会在一定程度上缩短防渗墙的耐久性,不利于防渗墙的安全和稳定。从大坝的安全性考虑,尽管渗流量仅达到设计值的 75%,但仍无法成为方案选择的主要目的。各工况防渗墙下游水头值和渗透系数间的关系见图 1。从图 1 中能够得出,两者基本表现为线性负相关,防渗墙防渗性能的优劣受到其渗透系数的直接影响。此现象是因为在渗透系数降低时,土中水的流动性逐渐变差,流速逐渐减小,防渗墙降水进行阻拦,使其不能流进下游土体中,从而降低了下游水头,最终达到防渗目的。在防渗墙基本不透水时,渗流量为无防渗墙的64.7%,因此一味地降低防渗系数并不能起到很好的防渗效果。同时能够发现,渗流量在渗透系数从设计值提高至两倍时仅增大 13%。由此能够看出,渗透系数的持续减小和增大并不会对渗流量造成较大的影响,渗流量基本会稳定在一个固定值。2.5 防渗墙防渗加固效果受其埋入土层深度的影响为了研究防渗墙防渗加固效果受其埋入土图 1 防渗墙各渗透系数下的下游水头变化趋势层深度的影响,对其埋进混合土(粉质黏土和粉土)、粉土以及粉质黏土的防渗效果进行分析。防渗墙设计长度11m,不改变墙顶标高,参考土层厚度,设定防渗墙长度依次为0、6.4m。根据埋入土层的不同,并保持墙顶标高不变,防渗墙的长度分别为 11m(层)、9.6m(层)、6.4m(-3层)以及 0m(不设防渗墙)。经过计算得出的防渗墙下游侧水头曲线在各墙长下的变化趋势,见图 2。从图 2 能够得出,总水头曲线随着防渗墙墙长的提高而减小,但减小幅度较小。随着入土深度的提高、防渗墙墙长的增大,坝基内有粉质黏土层,而此类土渗透系数较低,故减小了渗透性,141第 29 卷第 9 期2023 年 9 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.9September,2023图 2 各防渗墙长度下的总水头曲线导致水流变向,增大了水流的流经长度。在防渗墙伸进粉土层时,此类土曾渗透性较强,但总水头线并未出现快速增大,这是因为粉土层在防渗墙上部,不论进入到哪类土层中,防渗墙对水流能够起到很好的阻拦作用,使总水头线并未出现较大变化。在实际工程中,为了防止坝基坝体部分区域发生管涌现象而破坏坝体,设计时应严格规定墙底坡降和墙内比降的标准,并有明确的要求。因此,在制定防渗墙入土深度时,综合考虑墙土接触面、墙体的稳定性,把防渗墙深度设为超过渗透系数较大的粉土层,伸入渗透系数较小的粉质黏土层,以保证整个坝基和坝体的稳定性和安全性。不同工况坝基坝体渗流量变化见图 3。从图 3中能够看出,防渗墙入土深度越大,渗流量并未发生较大波动,渗流量在墙体入土深度从 6.6m提高至 9.8m 时,仅增增大,1.3%。由此可见,增大墙体埋入深度能够提高防身效果,但十分有限,性价比不高。图 3 各防渗墙长度下的渗流量3 结 论通过有限元模拟计算分析了不同因素对大坝防渗墙防渗效果的影响,结论如下:1)坝体防渗效果会受到防渗墙位置的影响,其位置和坝轴线重合时最为实用与合理;不能单纯地以提高防渗墙厚度的方式来增强防渗效果,要在规定的防渗标准下,合理制定防渗墙的厚度。通过对比,防渗墙厚度为 0.2m 时效果较好,也最经济。2)防渗墙防渗性能的优劣受到其渗透系数的直接影响,渗流量随着防渗墙渗透系数的提高而提高,两者表现为线性正相关关系。在防渗墙基本不透水时,渗流量为无防渗墙的 63%。因此,一味地降低防渗系数并不能起到很好的防渗效果。3)总水头曲线随着防渗墙墙长的提高而减小,但减小幅度较小;在设计防渗墙入土深度时,综合考虑墙土接触面、墙体的稳定性,把防渗墙深度设为超过渗透系数较大的粉土层,伸入渗透系数较小的粉质黏土层,以保证整个坝基和坝体的稳定性和安全性。参考文献1 杨帆,池苗苗.土石坝溃坝渗流与边坡稳定性联合分析J.水利科学与寒区工程,2023,6(1):31-34.2 宋锦焘,袁帅,刘云贺,等.土石坝渗流安全监控的集成学习融合模型J.水力发电学报,2023,42(5):107-119.3 岳庆河,郭清华,张大雷.老岚水库土石坝渗流数值模拟研究J.水利技术监督,2022(10):242-245.4 严雷光.土石坝渗流与稳定性的数值模拟分析J.陕西水利,2022(3):14-18.5 岑威钧,赵昱豪,李邓军,等.深厚覆盖层上土工膜防渗堆石坝渗流场影响因素分析J.长江科学院院报,2023,40(4):95-99,106.6 侯恩传,田林.渗流作用下心墙坝加固前后稳定性对比分析J.贵州大学学报(自然科学版),2023(2):103-109.7 李卓,方艺翔,鲁洋,等.前期降雨与库水位变化对土石坝渗流及稳定特性影响研究J.岩土工程学报,2022,44(12):2177-2186.241