心墙坝上游坝坡稳定性分析

心墙坝上游坝坡稳定性分析

0坝体结构及坝坡对上游坝坡稳定性的影响世界各国也公认了引水蓄能站在电网中的调峰填谷、应急事故的准备、频繁和同治的作用，并近年来在中国得到了快速发展。许多引水蓄能水库相继建成或建造。大部分抽水蓄能电站一般利用已建成的水库作为下库,上库需要新建。新建上库的大坝在坝基基础条件较差,覆盖层较厚的坝址上,坝型多选择堆石坝和石渣坝方案。堆石坝方案和石渣坝方案对地形地质条件要求不高,建基面可置于全风化土层,基础不用特别处理,下游坝壳区可充分填筑开挖出来的石渣料。如已建成的惠州抽水蓄能电站、在建的清远抽水蓄能电站坝型均采用心墙堆石坝方案。抽水蓄能电站心墙堆石坝上游坝坡比一般的心墙堆石坝缓,它具体多大优化空间,这也关系到工程的总体投资。抽水蓄能电站心墙堆石坝上游坝坡取多少仅取决于坝基条件、上游坝壳料强度指标,而且与水库水位降落时上游坝壳中自由水面线位置有密切关系。为了计算渗水压力对上游坝坡稳定性的影响,须掌握库水位降落时上游坝壳中自由水面的变化情况,因此确定上游坝壳中自由水面线位置的变化规律,对于校核上游坝坡的稳定性和上游坡度的设计优化具有重要的意义。本文利用模型试验模拟了上游坝坡坡比、坝壳料渗透系数对自由水面位置变化的影响,并考虑库水位不同降落速率对自由水面位置变化的影响,同时把模型试验结果与有限元计算成果、经验公式法计算结果相比较。1玻璃板坝壳段模型槽尺寸:长5.38m、宽0.65m、高0.80m。图1为砂槽试验模型示意图,图2为试验所用砂槽模型图。模型槽两侧壁采用透明的有机玻璃板,以便通过两侧壁直接观测试验过程中发生的一些现象。依靠侧壁安装的几十根测压管量测渗水压力,研究模型中坝壳区水头的分布情况。由于水位骤降过程中测压管水位于处于下降状态,无滞后问题,能灵敏的反映坝壳水位下降过程。试验过程中水位的下降速度主要通过可调节流量的泵控制。由于本次研究模拟的清远抽水蓄能电站工程坝基的渗透系数与坝壳的渗透系数相差100倍以上,因此本次模型试验时认为坝基是不透水的。上库模型长度比尺选用1∶70。2模型试验和结果分析2.1水位降低速度表1为上库模型试验方案。心墙堆石坝原设计上游坝坡为1∶2.75,考虑到节省投资,拟将坝坡优化到1∶2.5,因此,模型试验上游坝坡采用3种。库水位降落时假定上游水位匀速骤降,历时依据实际运行时的资料确定,即水位由正常蓄水位降落至死水位最快需要9h。考虑库水位不同降落速率对自由水面位置变化规律的影响,采用4种不同降落速度。根据已有工程资料和工程经验可知,上游坝壳料的渗透系数一般大于1×10-2cm/s,因此,上游坝壳料的渗透系数采用3种。2.2．坝体表面为静面线的水位出现,图3为模型一各种不同工况下的模型试验结果,表2为模型一不同工况下终降时自由水面线的特征点高度,其中高度是指与坝基表面之间的距离。从模型试验结果可知,随着库水位降落速度的变缓,坝壳中自由水面线最高点的高度和出逸点的高度都越来越小。坡度变缓后,坝壳中自由水面线最高点的高度和出逸点的高度在库水位降落速度为25.5m/6h、25.5m/9h时有所变大,在库水位降落速度为25.5m/12h、25.5m/36h时变化不大。2.3定自由水面线位置的物理意义在进行试验结果分析时,关注的是瞬时的终降时刻非稳定渗流状态的自由水面线在坝体中的相对位置,确定自由水面线位置的各种符号的物理意义见图4所示。其中:H为坝前水深,即始降水位到坝基表面的高度;h为终降水位到坝基的高度;h¢为库水位降落高度,且满足h+h¢=H;D为终降时刻自由水面线最高点到终降水位的高度;D¢为坝体中自由水面线最高点的降落高度,满足D+D¢=huf0a2。(1)不同水位、灵活落速度下的库水位下降特征模型一进行了4种不同水位降落速度的试验,由试验结果绘制各坝坡中不同退水速度终降时刻自由水面线的位置,见图5。不同库水位降落速度对应不同的自由水面线最高点高度,库水位降落越快,自由水面线位置越高,最高点高度越大,见图6。从图6可以看出,在水位降速大时,坝坡内自由水面线位置更高,降速最小的工况(0.71m/h)自由水面线最高点下降到0.587H~0.593H处,而降速最快的工况(4.25m/h)自由水面仅下降到0.722H~0.739H处,差值达到了0.135H~0.146H。(2)降时出逸点高度变化从模型试验结果可知,相同水位降落速度情况下,随着上游坝体坡度的变缓,终降时出逸点的高度变化规律不明显,高度相差不多,但坝壳中自由水面线的位置变高,表明坝坡变坦坝壳中的渗透排水路径加长,水位降落速度减缓。试验结果表明,坝壳坡度越陡,渗流渗径越短,易排水,自由水面的位置越低,如图8所示。(3)坝底坝渗透系数对边界层模型试验的影响模型一和模型三中坝壳料采用不同的渗透系数,模型一坝壳料的渗透系数为7.72×10-2cm/s,模型三坝壳料的渗透系数为2.45×10-1cm/s。上游坝坡为1∶2.50时的模型试验结果列于表3,图9中绘有心墙坝坝壳料渗透性与自由水面位置的关系曲线。从模型试验结果可知,相同水位降落速度情况下,随着坝壳料渗透系数的增大,终降时自由水面最高点的高度将降低。在心墙坝坝壳料渗透系数变化范围内,其对自由水面的影响较大,当上游坝坡为1∶2.50时,同一水位降落速度情况下自由水面变化值占坝前水深H的6.87%~14.6%,因此确定合理的上游坝壳料渗透系数是心墙坝上游坝坡优化设计的关系因素之一。(4)坝体坝坡水位下降速度研究退水指标k/uf06dv是决定大坝非稳定渗流的流态的重要指标,它综合反映了坝体土料属性和水位降落速度对非稳定渗流流态的影响。可以理解为坝体中实际渗流速度和水位降落速度的比值。模型试验每种上游坝坡模拟了4种库水位降落速度,它们分别是25.5m/6h,25.5m/9h,25.5m/12h,25.5m/36h,坝壳料的渗透系数k为7.72uf0b410-2cm/s,给水度uf06d采用别申斯基经验公式uf06d(28)0.1177k(k单位为m/d)估算,算得的退水指标k/uf06dv值见表4。由试验结果可知,在其他条件相同的情况下,随着退水指标k/uf06dv值的增大,自由水面线在坝壳中的位置越来越低,或者说越来越接近终降库水位。3比较模型试验和其他方法的结果3.1有限元分析主要根据上库模型试验的对应工况建立模型,采用的边界条件与模型试验一致,进行有限元计算分析。图10为模型一不同工况下的有限元计算结果图。3.2自由水面线分布采用《水工设计手册》里推荐的经验公式法来计算原型不同工况下坝壳中自由水面线的分布情况,表5为上游坝坡1∶2.75时经验公式计算参数,图11为终降时刻自由水面线经验公式法计算结果。3.3坝坡同一工况表6~8为模型试验成果与计算结果的比较。表中D为自由水面最高点与坝基表面的距离,而H为正常蓄水位与坝基表面的距离。从表6~8可知,坝壳料渗透系数达2.45×10-1cm/s时,有限元计算分析结果比模型试验得到的自由水面最高点稍高。坝壳料渗透系数达7.72×10-2cm/s时,当降落速度较快时,在同一坝坡同一工况下,有限元计算分析结果比模型试验得到的自由水面最高点、经验公式法计算得到的结果稍高;当降落速度较慢时,在同一坝坡同一工况下,模型试验得到的自由水面最高点比有限元计算分析结果稍高,而经验公式法得到的计算结果最小。模型试验得到的自由水面出逸点与有限元计算得到的出逸点位置相差不大,经验公式法计算得到的结果最小。从模型三试验结果和有限元计算结果看,这两者的误差最大值仅为5.2%,这种误差在水利水电实际工程中是允许的,这表明采用有限元计算方法得到的心墙坝上游坝壳自由水面线位置还是可靠的。4坝体坝高变形工况分析结果本次模型试验模拟了上游坝坡坡比、坝壳料渗透系数对自由水面位置变化的影响,并考虑库水位不同降落速率对自由水面位置变化的影响,并把模型试验结果与有限元计算成果、经验公式法计算结果相比较。得到如下结论:(1)通过模型试验结果和有限元计算结果对比,两种方法得到自由水面最高点的误差最大值仅为5.2%,这种误差在水利水电实际工程中可以接受的,认为采用有限元计算方法得到的心墙坝上游坝壳自由水面线位置是可靠的。(2)坝壳料渗透系数达2.45×10-1cm/s时,有限元计算分析结果比模型试验得到的自由水面最高点稍高。而坝壳料渗透系数为7.72×10-2cm/s时,当降落速度较快时,在同一坝坡同一工况下,有限元计算分析结果比模型试验得到的自由水面最高点、经验公式法计算得到的结果稍高;当降落速度较慢时,在同一坝坡同一工况下,模型试验得到的自由水面最高点比有限元计算分析结果稍高,而经验公式法得到的计算结果最小。(3)库水位降落速度越快,自由水面线位置越高,最高点高度越大。当坝壳料渗透系数为7.72×10-2cm/s时,上库降速最小的工况(0.71m/h)自由水面线最高点下降到0.587H~0.593H处,而降速最快的工况(4.25m/h)自由水面仅下降到0.722H~0.739H处,差值达到了0.135H~0.146H。随着库水位降落速度的变缓,终降时坝壳中自由水面线的位置越来越低,自由水面线最高点的高度和出逸点的高度都越来越小。坝壳坡度越陡,自由水面的位置越低。当库水位降落速度较小,坝坡坡度由1∶3.0和1∶2.5之间变化时,自由水面相对位置变化幅度小于坡前水深的3.2%。此外,当库水位降落速度较小时,坝坡对自由水面位置的影响相对更小,变化幅度小于0.6%H。(4)退水指标k/uf06dv值越大,自由水面线在坝壳中的位置越低,或者说越来越接近终降库水位,是一种分析坝壳水位降落的有效指标。相同水位降落速度情况下,随着坝壳料渗透系数的增大,终降时自由水面最高点的高度将降低。在心墙坝坝壳料渗透系数变化范围内,其对自由水面的影响较大,当上游坝坡为1∶2.50时,同一水位降落速度情况下自由