燕山水库土石坝渗透比降三维有限元分析

燕山水库土石坝渗透比降三维有限元分析

1主河槽段坝体渗流稳定燕山水库位于河南省叶县李河上游的干河上。控制面积1699公里，总蓄水9.66亿hm。大坝为黏土斜墙土石坝,最大坝高34.7m,坝顶高程117.8m。渗控系统主要由黏土斜墙、混凝土防渗墙、防渗帷幕、斜墙排水带、坝基水平排水带和坝基岸坡排水沟等构成。地质资料表明,河槽段坝基第四系卵石混合土层透水性较强,其下部F100断层破碎带、影响带和安山岩全、强风化带中软弱易冲蚀物质均可能在中等透水段产生渗透变形。主河槽段坝基的渗流稳定成为控制坝体整体稳定的主要因素。笔者建立了燕山水库主河槽段的三维有限元模型,对不同工况下土石坝坝体、坝基渗流分布规律进行了模拟。2三维分析的建模2.1水头边界条件根据达西定律和水流连续性方程,不考虑土体压缩性时,三维各向异性连续介质稳定流域Ω内的水头函数H满足如下偏微分方程:∂∂x(kx∂H∂x)+∂∂y(ky∂H∂y)+∂∂z(kz∂H∂z)=0(1)∂∂x(kx∂Η∂x)+∂∂y(ky∂Η∂y)+∂∂z(kz∂Η∂z)=0(1)式中:H为总水头;kx为x方向渗透系数;ky为y方向渗透系数;kz为z方向渗透系数。水头边界条件为H|Γ1=H1(x,y,z,t)(2)Η|Γ1=Η1(x,y,z,t)(2)流量边界为−kn∂H∂n|Γ2=q(3)-kn∂Η∂n|Γ2=q(3)式中:Γ1为上下游及渗出面边界之和;Γ2为不透水边界、潜流边界、补给边界、自由面边界等之和;n为Γ2的外法线方向;kn为n方向的渗透系数。对于无压渗流的自由面边界除应满足式(3)外,还需满足:H=z(4)Η=z(4)2.2坝体结构面为垂直方向的坝基开挖面顺河床方向从上、下游坝脚分别向上、下游各取约2.5倍坝高,全长386m。垂直方向取到坝基开挖面以下约1.5倍坝高处(高程35m处)。坝轴线方向全长600m,左岸取到Ⅱ级阶地前缘地带桩号4+100处,右岸取至弱风化安山岩桩号4+700处。2.3垂直边界的设置右岸为弱风化微—极微透水性安山岩,左边界两侧地质条件比较相近,不存在沿坝轴线方向的侧向流动,因此将左、右岸垂直边界设为不透水边界,上、下游垂直边界和迎水面设为已知水头边界,底边界设为不透水边界。各类介质渗透系数见表1。2.4节点等六面体单元网格划分应用Geo-SlopeSeep3D程序进行模拟计算。采用8节点等参六面体单元网格对模型进行离散,对主要的渗控措施处,如混凝土防渗墙、防渗帷幕和排水带等,进行网格加密。经离散后的三维有限元模型节点总数为42564个,单元总数为38130个。3渗流对渗流的影响混凝土防渗墙是防渗处理措施中最有效的一种,但如果处理不当,容易在墙顶与黏土结合处和墙体内部产生渗流破坏。此外,下游坝坡溢出处的渗透比降最能反映该枢纽渗控系统的防渗效果。因此,结合燕山水库的实际防渗措施,主要对混凝土防渗墙顶与黏土防渗体结合处、混凝土防渗墙和防渗帷幕以及下游坝坡溢出处的渗透比降进行分析。3.1水库实际运行情况分析为了验证数值模型能否准确反映该坝区的地质特征,边界条件的设置和采用的各介质渗流参数能否合理决定渗流模拟结果的准确性,对2007年7月水库蓄水工况进行了渗流分析,并与同时期的监测结果进行对比,见表2。蓄水期计算工况:上游水位100.96m(7月15日最高库水位),下游水位83.8m。监测数据为7月22日的数据(考虑渗流的时效性)。从表2可以看出,实测水头和模拟计算水头比较接近,相差值不超过0.3m,由此可以看出所建立的三维有限元模型符合实际情况,模拟计算结果能够反映坝址区的实际渗流场。3.2．水利工程在下游水位上,设水位为下游水位,下游水位即设水位,下游水位即设水位,下游水位即为下游水位,下游水位即设水位,下游水位1.只进行了稳定渗流期的坝址区渗流场模拟,稳定渗流期计算工况分为正常蓄水位(上游水位106m,下游水位85.09m)、防洪高水位(上游水位111.8m,下游水位85.09m)、设计水位(上游水位114.6m,下游水位93.19m)、校核水位(上游水位116.4m,下游水位93.99m)4种。(1)坝体浸渍线位置模拟了坝基有、无防渗措施条件下正常蓄水位的渗流场。结合断面4+400在有、无防渗措施下的水头等值线和浸润线分布图(见图1)及表3可以看出:坝基无防渗措施条件下,下游坝体的浸润线位置较高,坝体、坝基的水头值也较大,并且消散较慢。坝坡逸出比降为0.13,而允许比降为0.10,Q4卵石混合土逸出比降为0.18,而允许比降为0.12,可见均超出了允许比降,将会发生渗透破坏,渗流稳定不满足要求。坝基有防渗措施条件下,下游坝体的浸润线位置基本与下游水位相同,坝体、坝基的水头值消散较快,且坝坡、Q4卵石混合土逸出比降均较小,能满足渗透稳定的要求。以上分析说明要保证土石坝的安全运行,必须对坝基进行防渗处理。(2)坝体排水效果分析河槽段典型断面4+400(悬挂式防渗帷幕)在防洪高水位、设计水位、校核水位下的水头等值线和浸润线见图2～图4,结合图1对比分析可知:①浸润线随着上游水位的增高而变陡,黏土斜墙后坝体水位下降至斜墙排水带或水平排水带内,下游坝体基本无水,说明斜墙黏土防渗体和排水带起到了“上堵下排”的作用;②混凝土墙顶与黏土斜墙结合部位出现水头集中现象,该部位黏土承受高渗透比降,最大值为7.95,小于允许值;③各工况下的坝基水头分布规律基本相同,混凝土防渗墙和防渗帷幕后坝基的水头基本削减至下游水位,防渗效果明显。3.3高水位情况下混凝土墙渗流场变化土石坝河槽段混凝土防渗墙顶部高程为91m,深入黏土斜墙6m左右(为最大水头的1/6),满足规范要求,混凝土防渗墙顶部黏土为高塑性黏土,其允许渗透比降为5～10。图5为不同工况下混凝土防渗墙顶与黏土斜墙结合部位渗透比降沿坝轴线方向的分布曲线。从图5可以看出:①同一工况下,混凝土防渗墙顶与黏土斜墙结合部位渗透比降沿坝轴线方向随着坝基卵石混合土层厚度的增大而呈阶梯上升趋势,最大渗透比降发生在防洪高水位工况4+500～4+625坝段,其值为7.95,在填筑黏土允许渗透比降范围内,不会发生渗透破坏。说明混凝土墙深入黏土斜墙深度基本合理,但仍须在以后运行过程中注意该部位变形和渗流监测。②防洪高水位渗透比降最大,正常蓄水位渗透比降最小,校核水位的渗透比降大于设计水位的渗透比降。这说明渗透比降受上下游的落差变化影响显著,随上下游水位落差的增大而增大。3.4坝坡内部渗流对抗取典型断面4+400进行分析,各工况下混凝土防渗墙渗透比降、防渗帷幕和下游坝坡逸出面渗透比降最大值见表4(混凝土防渗墙、防渗帷幕、下游坝坡的允许比降分别为60～80、25～30、0.10)。从表4可以看出:混凝土防渗墙与防渗帷幕的渗透比降均与上下游水位落差成正比,且上下游水位落差对混凝土防渗墙渗透比降影响较大;4+400断面各特征部位渗透比降均在允许渗透比降范围内,坝体、坝基渗流稳定,不会