基于ABAQUS的土石坝防渗墙渗流稳定性研究

闫军林

(新疆云沣水利设计咨询有限公司,乌鲁木齐 830000)

1 概 述

防渗墙是一种有效的水利大坝防渗手段,具有施工简便、防渗性能好等优点。目前,既有研究主要集中于防渗墙的防渗效果及渗流规律方面。如崔熙灿等[1]基于有限元,研究了沥青混凝土心墙及坝基防渗墙应力及变形规律。结果表明,坝基防渗墙轴线向下游的偏移会对运行期防渗墙应力产生一定的不利影响,通过心墙基座向下游扩展,可以实现应力显著降低的目的。黄宁等[2]基于数值模拟,系统研究了土质心墙坝防渗墙顶部土体剪切带的变形及渗流规律。结果表明,采用剪切带计算理论可以有效模拟土体连续变形。此外,设置剪切单元后,可以使竖向应力平均值降低30%。甘磊等[3]基于渗流特性,系统研究了混凝土防渗墙施工缺陷对其渗透溶蚀演化规律。结果显示,防渗墙中存在的钙离子浓度随着大坝运营年份增长不断降低,且随着运营时间增长,离子浓度越低。研究表明,服役100年后,防渗墙等效渗透系数增大了8.20倍,渗流量增大了4.49。黄秀文[4]基于非饱和渗流理论,系统研究了库水位骤降下混凝土防渗墙渗流稳定性。结果表明,水位骤降对于坝体的稳定性是不利的,通过设置防渗墙可以提高坝体的抗渗性,减小坝体的变形。周健等[5]基于Autobank数值有限元,系统分析了土石坝加固工程中的防渗墙内力及变形响应。结果表明,渗流应力的改变导致防渗墙背侧出现拉应力。彭昆等[6]基于MIDAS数值计算方法,系统研究了不同土石坝防渗体系效果。结果表明,斜心墙+混凝土防渗系统可以延长渗流路径,防渗效果最好。

本文基于ABAQUS数值模拟,对某水电站土石坝的渗流特征进行研究。并在此基础上,探索防渗墙下接帷幕深度对坝基渗流分布的影响。研究结果可为防渗墙的设计及优化提供参考。

2 工程概况与数值模型

2.1 工程概况

本文研究的土石坝为典型均质土石坝,坝高186m,顶宽14m。实际工程中,土石坝上游坡比为1:2.0和1:2.25,下游坡比1∶1.8。该土石坝属于大(I)型水坝,见图1。根据现场资料,大坝坝基分为3层,分别为漂卵石层、含漂卵石层和卵砾石层。其中,第一层岩土体透水性为中等-强透水性;第二层与第一层透水性基本相同。覆盖层含有花岗岩,透水性较弱,底部为新鲜基岩,透水性差。坝基防渗采用墙幕结合。其中,主防渗墙和副防渗墙厚度均为1.2m,主副防渗墙间距14m,主防渗墙底入层1.5m,并设50m防渗帷幕,墙顶与廊道连接;副防渗墙位于主墙上游,墙底入岩1.5m,并设10m防渗帷幕。

2.2 数值计算模型

根据坝体典型剖面,建立数值计算模型。其中,顺河流方向设为X轴,高度方向为Z轴。网格总数为8 400个,防渗墙及帷幕42个,数值计算中采用正常蓄水位180m。

图1 大坝典型剖面图

计算中,采用的物理力学参数主要根据相关设计报告及参考既有文献。具体见表1。

表1 材料渗透系数汇总

3 结果与分析

3.1 防渗墙渗透系数变化规律

为了研究防渗墙不同渗透系数变化规律,本文设计7种不同的计算工况,见表2。

主墙和副墙水头损失与渗透系数的变化规律见图2和图3。由图2可知,对于主墙渗透系数与水头损失而言,主墙的渗透系数与水头损失呈反相关,而副墙的渗透系数与水头损失呈正相关。由图3可知,对于副墙渗透系数与水头损失而言,主墙的渗透系数与水头损失呈正相关,而副墙的渗透系数与水头损失呈反相关。

表2 渗透系数工况

防渗墙渗透系数与坝基渗流关系见图4。由图4可知,当保持上游副墙渗透系数不改变时,总水头折减系数基本相同。当下游主墙的渗透系数降低至10-8cm/s时,对主副墙的水头折减效应基本无影响。此外,当主墙渗透系数增大时,副墙的水头折减变大,而主墙折减减小。当主墙渗透系数增大至10-6cm/s时,水头由91.2m降低至65.9m。同时,当增大主墙渗透系数时,副墙的水力坡降增大。当主墙的渗透系数增大至10-5cm/s时,副墙水力梯度为151,该水力梯度大于规范允许的最大水力坡降,大坝存在安全隐患。

图2 水头损失与渗透系数的变化(主墙)

图3 水头损失与渗透系数的变化(副墙)

当保持下游主墙渗透系数不变时,总水头折减基本一致。降低上游副墙的渗透系数至10-8cm/s时,对总水头基本无影响。此外,随着副墙渗透性增大,副墙的水头折减减小,主墙水头折减变大。当副墙的渗透系数增大至10-6cm/s时,主墙水头由91.2 m增大至113m。同时,随着副墙渗透性增大,主墙的最大水力坡降不断变大。当渗透系数增大至10-5cm/,副墙水力坡降为152.3,存在安全隐患。

图4 防渗墙渗透系数与坝基渗流关系

综合来看,当主墙和副墙的渗透系数达到10-7cm/s,进一步降低渗透系数对墙的水头折减影响减弱,也表明坝基渗流分布在该范围变化不显著。当防渗墙的渗透系数达到10-7cm/s时,主副墙的折减系数越大,墙间水位越高。

3.2 防渗墙下帷幕深度变化规律

设计11种不同的主副墙下接帷幕计算工况,见表3。

表3 帷幕组合工况

防渗墙水头损失与帷幕深度关系(主墙)见图5;防渗墙水头损失与帷幕深度关系(副墙)见图6;坝基渗流分布随主副墙下接帷幕深度比的变化见图7。综合图5-图7结果来看,保持上游副墙防水帷幕深度不变时,当下游主墙帷幕深度变化时,总水头折减率基本一致,但主墙和副墙水头折减较明显。此外,当保持副墙帷幕深度不变时,主墙帷幕深度介于30～50m时,对主墙和副墙的水头折减影响很小。当主墙帷幕深度减小至10m时,主墙水头折减由91.3降低至70.1,折减率降低51%。同时,副墙的水力坡降随着主墙帷幕深度的减小而增大。当主墙帷幕深度减小至0m时,副墙水力梯度略大于临界水力坡度,大坝存在一定的风险。

图5 防渗墙水头损失与帷幕深度关系(主墙)

图6 防渗墙水头损失与帷幕深度关系(副墙)

当保持下游主墙帷幕的深度不变时,总水头折减不随上游副墙帷幕深度的改变而改变。增大副墙帷幕深度值30m时,主墙水头折减降低10%,副墙折减率提高10%。当副墙帷幕深度达到30m时,增大副墙帷幕深度,对主副墙水头折减基本保持不变。

当主墙和副墙的帷幕深度在0～30m范围内变化时,主墙和副墙的折减水头和水力梯度随着主副墙帷幕的比值增大而增大,墙间水头升高。当帷幕深度大于30m时,折减水头保持不变。这是由于基岩深度较大,当帷幕深度达到一定深度时,继续增大帷幕深度,防水效果提高不显著。因此,实际工程中,当防渗帷幕插入基岩一定深度时,帷幕深度的增大对坝基渗流的影响不再显著。

图7 坝基渗流分布随主副墙下接帷幕深度比的变化

4 结 论

本文采用数值模拟,分析了某大坝混凝土防渗墙渗透系数及防渗帷幕对坝基渗流稳定性的影响。结论如下:

1)当防渗墙的渗透系数小于10-7cm/s,防渗墙的渗透系数改变对坝基渗流稳定性影响不大;当防渗墙的渗透系数大于10-7cm/s,随着主副墙渗透系数比值的增大,防渗墙的折减水头梯度变大。

2)当墙体帷幕未插入基岩时,主副墙的帷幕深度对坝基渗流稳定性影响较大。主墙水头折减和水力梯度随着帷幕深度比值增大而增大。当主副墙的帷幕插入新鲜基岩时,进一步增大帷幕深度,对坝基渗流影响减弱。

3)根据规范要求,主防渗墙的最大水力坡降为92.9,副墙最大允许水力坡度为75.6。本文采用副墙下接帷幕深度10m和主墙下接帷幕深度50m的设计方案,可以满足规范允许的安全性要求。