土石壩三維滲流有限元分析

二維滲透計算對每個滲透分區(qū)的計算參數(shù)進(jìn)行了敏感計算和分析，并提供了不利參數(shù)的組合。在心墻局部尺寸不足、水平面塌陷和靜壓上升條件下，觀察到靜壓注釋漿體滲透的影響。假設(shè)靜壓注釋漿體的滲透系數(shù)小于10-4cm，可以改善水庫的滲透狀態(tài)，滿足滲透穩(wěn)定的要求?？紤]到左岸土石壩連接壩段的實(shí)際情況以及局部靜壓注漿,采用三維穩(wěn)定滲流計算方法對不同條件下土石壩滲流狀態(tài)以及靜壓注漿體滲控效果進(jìn)行了進(jìn)一步的計算分析,并對心墻與基巖以及心墻與混凝土壩體接觸部位的滲透穩(wěn)定性進(jìn)行了評價。1土石壩壩滲控效果評價采用三維穩(wěn)定滲流有限元計算方法進(jìn)行計算,重點(diǎn)分析心墻局部尺寸不足部位、心墻與混凝土接觸部位以及心墻與基巖接觸部位等滲透穩(wěn)定性,評價現(xiàn)有土石壩連接壩段的滲透穩(wěn)定性,對擬采用的靜壓注漿體的滲控效果進(jìn)行分析評價。1.1計算模型(1)模型斷面布置以左岸土石壩尖山為分界點(diǎn),選擇0+900為起始計算斷面,終點(diǎn)為混凝土壩與土石壩的結(jié)合斷面(樁號1+192.3),其中1+153至1+192.3段心墻內(nèi)無塑性混凝土防滲墻。在計算模型范圍內(nèi),按照間距40m給出了相應(yīng)的設(shè)計斷面,作為本次計算斷面,計算斷面布置見圖1。模型的底部邊界取至高程48m處,并作為隔水邊界;從壩軸線向上下游各延伸200m作為模型的計算域,并將此模型兩端邊界作為隔水邊界考慮;上游壩坡以及庫底作為定水頭邊界,取上游水位174.35m;壩體內(nèi)部為浸潤線,作為流量為0的邊界,且水頭等于其位置高程;下游壩坡作為出逸邊界,下游擋墻后最低地面高程作為下游水位邊界,取105.35m。(2)壩下游滲流分析各個斷面滲透性分區(qū)相同,以1+180斷面為例,說明計算域內(nèi)的滲透性分區(qū)(見圖2)。與二維滲流計算分區(qū)相同,滲透性分區(qū)為:老壩上游壩殼料、新壩上游壩殼料、反濾料、心墻料、老壩下游壩殼料、靜壓注漿區(qū)、基巖。壩下游排水棱體作為充分排水體,不作為計算域的一個分區(qū),將其上游側(cè)作為出逸邊界。計算中不考慮塑性混凝土防滲墻的作用。1.2計算參數(shù)按照二維滲流計算結(jié)果,各滲透性分區(qū)計算參數(shù)取值見表1。1.3隔水邊界確定模型上、下游邊界均為定水頭邊界,上游邊界對應(yīng)上游水位174.35m,下游邊界對應(yīng)下游水位105.35m,模型左、右側(cè)邊以及底邊為隔水邊界。2計算結(jié)果和分析2.1在沒有心墻缺陷的情況下，靜壓注漿體滲透控制的效果來分析2.1.1心墻滲流對抗高、壩體內(nèi)部滲透比降的影響方案1是考慮心墻無缺陷的情況,重點(diǎn)分析大壩現(xiàn)狀條件下的滲流狀態(tài),計算結(jié)果見表2。從表2可以看出:下游壩殼料岀逸點(diǎn)高程為116.7~145.9m,均低于相應(yīng)的排水棱體頂部高程,即岀逸點(diǎn)都在排水棱體內(nèi),說明現(xiàn)有排水棱體設(shè)計高程滿足壩體排水要求;心墻底部滲透比降變化范圍為0.98~2.36,均小于原設(shè)計要求的2.5~5,說明大壩加高后仍能滿足設(shè)計要求;心墻中部及狹窄處滲透比降為1.14~5.84,其中1+140,1+153,1+180斷面心墻中滲透比降接近或超過5,介于原設(shè)計規(guī)定的5~10之間,安全裕度不足,說明局部心墻尺寸不足導(dǎo)致其承擔(dān)了過高的滲透比降;下游砂卵石壩殼料承擔(dān)的滲透比降為0.08~2.16,已經(jīng)超過或介于表1所列的臨界比降1.25~3.5,顯然砂卵石內(nèi)部會產(chǎn)生顆粒的調(diào)整。有利的一面是所有岀逸點(diǎn)均位于排水棱體中,因此,做好排水棱體前的反濾,可以有效地保證砂卵石壩殼料的滲透穩(wěn)定性。土石壩與混凝土壩接觸部位滲透比降最大為1.14,小于原設(shè)計要求的2.5~5。表2還給出了每2個斷面之間壩段的滲漏量,其總的滲漏量為541.1m3/d。2.1.2壩體與心墻接觸部位滲透比降方案2是在方案1的基礎(chǔ)上實(shí)施了靜壓注漿措施。靜壓注漿起始樁號為1+100,結(jié)束樁號為1+192.3,即與混凝土壩段連接起來,靜壓注漿體布置在心墻上游側(cè),高程158m以下,寬度7~10m不等。計算結(jié)果見表3。從表3可以得到:下游壩殼料岀逸點(diǎn)高程為116.0~145.8m,均低于相應(yīng)的排水棱體頂部高程,對比方案1的結(jié)果,出逸點(diǎn)高程降低最大幅度為0.7m,表明靜壓注漿具有一定效果;心墻底部滲透比降為0.89~1.99,小于方案1的計算結(jié)果,說明靜壓注漿措施的實(shí)施降低了心墻底部承擔(dān)的滲透比降;心墻中部滲透比降為1.00~4.86,均小于丹江口原設(shè)計規(guī)定的5~10,說明靜壓注漿對局部心墻尺寸不足具有較好的彌補(bǔ)作用,有助于改善心墻滲透比降局部偏大的現(xiàn)象;下游壩殼料承擔(dān)的滲透比降為0.08~2.09,也超過了表1所列的臨界比降1.25~3.50,說明大壩加高后,盡管采用了靜壓注漿,仍然需要做好排水棱體前的反濾,來保證砂卵石壩殼料的滲透穩(wěn)定性;土石壩心墻與混凝土壩接觸部位最大滲透比降為1.00,與方案1相比稍有降低;方案2總的滲漏量為512.3m3/d,與方案1相比略有降低。2.2在心墻坍塌條件下，靜壓注漿體滲透控制的效果分析2.2.1壩下壩殼料滲流較小,且出口較緊方案3是在方案1的基礎(chǔ)上,在1+180斷面附近考慮一條橫向垂直裂縫,其等效滲透系數(shù)與上游壩殼料一樣,垂直裂縫產(chǎn)生在老壩心墻內(nèi),底部與基巖相接,上部達(dá)到157m高程。心墻缺陷條件下的三維滲流計算結(jié)果見表4。從表4可以得到:下游壩殼料岀逸點(diǎn)高程為118.7~145.8m,與方案1相比,盡管有所上升,但仍然低于相應(yīng)的排水棱體頂部高程,壩下游排水棱體較好的排水作用使得下游壩殼料岀逸點(diǎn)抬高幅度有限;心墻底部滲透比降為0.79~1.47,均小于丹江口原設(shè)計規(guī)定的2.5~5,也小于方案1的計算結(jié)果,其原因是心墻裂縫使得心墻后水位升高,心墻前后水頭差減小;心墻中部滲透比降為0.78~4.59,均小于丹江口原設(shè)計規(guī)定的5~10,也小于方案1各計算斷面相應(yīng)滲透比降,變化規(guī)律與心墻底部滲透比降一樣;下游壩殼料承擔(dān)的滲透比降為0.14~2.88,與方案1相比,壩殼料承擔(dān)的滲透比降大幅度增加,尤其是1+180周圍斷面,可見,心墻產(chǎn)生裂縫后,減小了心墻的防滲作用,對下游壩殼料的滲透穩(wěn)定性帶來了不利影響。考慮到下游壩殼料岀逸點(diǎn)仍然低于下游壩坡坡腳排水棱體頂高程,因此,通過在排水棱體和下游擋墻前設(shè)置合理的反濾層,仍然可以保證下游壩殼料的滲透穩(wěn)定性。土石壩心墻與混凝土壩接觸部位中部滲透比降為0.78,底部滲透比降0.79,均滿足規(guī)范要求;表4還給出方案3總的滲漏量為1017.3m3/d,約為方案1的2倍。2.2.2心墻與混凝土壩接觸部位滲透比降方案4是在方案3的基礎(chǔ)上,考慮在心墻上游側(cè)一定范圍實(shí)施靜壓注漿,注漿的范圍及注漿區(qū)參數(shù)同方案2,計算結(jié)果見表5,部分?jǐn)嗝娴葎菥€見圖3、圖4。從表5和圖3、圖4分析可知,下游壩殼料岀逸點(diǎn)高程為116.8~145.8m,與方案3相比,有所降低,但幅度有限,岀逸點(diǎn)高程低于相應(yīng)的排水棱體頂部高程;心墻底部滲透比降為1.01~1.98,均小于丹江口原設(shè)計規(guī)定的2.5~5,與方案3相比,由于靜壓注漿首先對心墻裂縫具有明顯的封堵作用,使得1+180的臨近斷面心墻后水位顯著降低,而心墻底部承擔(dān)的滲透比降反而增加,其他壩段變化不大;心墻中部滲透比降為1.00~4.60,均小于丹江口原設(shè)計規(guī)定的5~10,其變化規(guī)律與心墻底部滲透比降一樣;下游壩殼料承擔(dān)的滲透比降為0.11~2.37,與方案3相比,壩殼料承擔(dān)的滲透比降明顯減少,尤其是1+180斷面,滲透比降減少近40%,可見,靜壓注漿對降低下游壩殼料承擔(dān)的滲透比降具有較好的作用;土石壩心墻與混凝土壩接觸部位中部滲透比降為1.00,底部滲透比降為1.05,均滿足丹江口原設(shè)計對滲透比降的要求;方案4總的滲漏量為635.9m3/d,與方案3相比,顯著減少。3靜壓注漿實(shí)施效果(1)心墻無缺陷條件下,由于心墻尺寸變化較大,1+180,1+140,1+153這3個斷面心墻承擔(dān)的滲透比降接近和介于5~10之間,與丹江口原設(shè)計要求的臨界值接近。采用靜壓注漿后,這些斷面心墻承擔(dān)的滲透比降均小于5,滿足丹江口原設(shè)計要求,靜壓注漿在某種程度上彌補(bǔ)了局部心墻尺寸不足的問題。(2)心墻出現(xiàn)裂縫,造成下游壩殼料局部水位大幅升高,不利于下游壩殼料的滲透穩(wěn)定性。靜壓注漿體能夠在很大程度上抑制心墻裂縫的影響,顯著降低下游壩殼料內(nèi)局部自由面,減少裂縫滲漏量。因此,靜壓注漿的實(shí)施能夠有效改