反調(diào)節(jié)水庫土工膜防滲工程穩(wěn)定性分析

(新疆伊犁州喀什河流域管理處，新疆 伊寧 835000)

反調(diào)節(jié)水庫土工膜防滲工程穩(wěn)定性分析

易鵬

(新疆伊犁州喀什河流域管理處，新疆 伊寧 835000)

反調(diào)節(jié)水庫能夠彌補水庫排沙期不能供水的弊端，對當?shù)毓I(yè)及居民生活、經(jīng)濟發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。通過對反調(diào)節(jié)水庫土工膜防滲大壩的滲流與穩(wěn)定計算分析，在土石壩上游鋪設(shè)土工膜能防止壩坡滲漏失穩(wěn)，保證反調(diào)節(jié)水庫安全運行，增加功能效益。利用數(shù)值仿真軟件計算出的滲流比降均小于允許最大比降，最小穩(wěn)定安全系數(shù)在不同工況條件下均大于最小允許值，表明大壩上游鋪設(shè)土工膜防滲后處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，滲透危險低。

反調(diào)節(jié)水庫；土工膜；防滲；滲流穩(wěn)定分析

土石壩是全世界使用最普遍的一種壩型，具有經(jīng)濟效益好、施工機械化、抗震性能強等優(yōu)點[1]。中國水庫大部分為土石壩結(jié)構(gòu)，在防洪、蓄水方面發(fā)揮重大作用，但是土石壩也存在著許多安全問題，其中滲透是最大的危險來源之一[2]。有數(shù)據(jù)表明，241座水庫發(fā)生的事故中，大約32%是由于滲透變形引起的[3]。土工膜具有良好的不透水性，防滲效果強，是理想防滲體。在壩體上游鋪設(shè)土工膜可以防滲，增加穩(wěn)定系數(shù)[4]。近年來，水利工程防滲技術(shù)科技含量升高，土石壩防滲工程逐漸增多，同時對滲流與穩(wěn)定的分析越來越重視，在工程設(shè)計、施工及安全使用過程中對防滲后壩體的滲流與穩(wěn)定分析已經(jīng)成為評價效益的關(guān)鍵內(nèi)容[5]。本文在反調(diào)節(jié)水庫鋪設(shè)土工膜后，對大壩滲流與穩(wěn)定系數(shù)進行分析，為此類工程提供數(shù)據(jù)參考。

1 水庫土工膜防滲體處理

1.1 反調(diào)節(jié)蓄水工程概況

試驗工程為煤窯溝水庫，位于伊寧市，其為煤窯溝河及伊犁流域的重要控制性水利工程。水庫反調(diào)節(jié)需水工程主要功能是彌補排沙期供水不足，對水庫供水過程進行反調(diào)節(jié)，滿足工業(yè)、生活用水。水庫總庫容量為980萬m3，供水設(shè)計流量為2.2m3/s，攔河壩壩高44.8m，大壩前后邊坡均為1∶1.6，承擔工業(yè)園區(qū)1460萬m3的供水任務(wù)。

1.2 土工膜防滲體

土工膜是近年來發(fā)展起來的一種高分子材料，常用于建筑工程中，例如，壩體上游面斜墻、壩體中心心墻等，具有不透水、重量輕、造價低等優(yōu)點[6]。目前，復(fù)合土工膜在工程上應(yīng)用越來越多，但其薄膜滲透的理論及方法還沒有被準確模擬。本文利用等效滲透系數(shù)法對工程進行分析，將土工膜兩側(cè)水頭差及單位面積流速設(shè)定為恒定值，即可將土工膜等效成一定厚度的土體，通過達西定律計算等效滲透系數(shù)[7]。

(1)

(2)

式中 ΔH——土工膜兩側(cè)水頭差；δ——土工膜厚度；ks——滲透系數(shù)；v——單位面積流速；i——滲透比降。

又因為土工膜兩側(cè)水頭差及單位面積流速不變，則土工膜兩側(cè)水頭差、流速之比均為1，可知：

ks1/ks2=δ1/δ2

(3)

由式(3)可知，該試驗建?？捎脻B透系數(shù)為1×10-11cm/s，厚度為0.6mm的復(fù)合土工膜等效實際應(yīng)用的土工膜。土工膜在工程中僅起到防滲作用，縮短壩體內(nèi)部浸潤線，提高壩體安全性，對大壩強度無影響。在不考慮土工膜的情況下，僅將滲流分析的結(jié)果引入穩(wěn)定分析。

圖1 土工膜等效大壩斷面計算示意圖

1.3 水庫上游壩坡的處理方法

根據(jù)原始壩坡滲透穩(wěn)定不足的情況，對壩坡進行改進，在原始壩型的均質(zhì)壩上鋪設(shè)土工膜防滲體，將其改為非土質(zhì)材料的防滲體壩。具體操作為保持原設(shè)計體型不變，在大壩上游坡面鋪設(shè)土工膜，按照兩布一膜的結(jié)構(gòu)形式查取滲透系數(shù)，并對紫外線等外部環(huán)境侵蝕設(shè)置保護層(在土工膜上鋪30cm厚反濾砂以及20cm厚預(yù)制混凝土面板)，滲流穩(wěn)定分析按此結(jié)構(gòu)進行計算。

1.4 計算斷面

根據(jù)水庫管理部門提供的土工膜使用規(guī)格標準及上游壩坡的處理要求(見圖2)，土工膜規(guī)格為0.6mm，土工布上下兩層規(guī)格均為300g/m2，滲透系數(shù)規(guī)格為1×10-11cm/s。

圖2 大壩標準斷面示意圖

2 模型建立及結(jié)果分析

2.1 模型計算

按照大壩標準斷面，等效復(fù)合土工膜后，利用Multiphysics有限元軟件進行二維建模[8]，建立出幾何模型，如圖3所示。根據(jù)幾何模型的特點，利用Multiphysics有限元軟件對該試驗大壩進行網(wǎng)格劃分，控制網(wǎng)格并采用映射方法劃分規(guī)則區(qū)域，壩體不規(guī)則區(qū)域采用三角形網(wǎng)格自由劃分，劃分尺度預(yù)定義為標準。

圖3 有限元模型

2.2 滲流分析

從圖4中可以看出，在鋪設(shè)土工膜后，根據(jù)模型計算出的正常蓄水穩(wěn)定滲流期和庫水位降落期的浸潤線均較低。正常穩(wěn)定蓄水滲流期的滲透比降最大值為2.23，發(fā)生位置為結(jié)合槽底部，壩體內(nèi)滲透比降最大值為0.22，下游溢出點滲透比降最大值為0.024，顯著低于允許比降值0.53，說明正常蓄水位穩(wěn)定滲流期無滲漏破壞危險。庫水位降落期的各時段上游坡向壩殼外指向的滲透比降最大值均為0，顯著低于允許比降，說明庫水位降落期也不會發(fā)生滲漏破壞危險。

2.3 穩(wěn)定分析

圖4 大壩穩(wěn)定期與非穩(wěn)定期滲流計算浸潤線示意圖(單位：m)

利用強度折減法對正常蓄水位穩(wěn)定滲流期、庫水位降落期和竣工期進行安全系數(shù)計算分析，Multiphysics有限元軟件在計算時一旦遇到最小安全系數(shù)即會停止計算，從而得到最小安全系數(shù)和失穩(wěn)滑弧位置。強度折減法[9]是根據(jù)計算最危險滑弧確定對應(yīng)的安全系數(shù)，上、下游不論誰先失穩(wěn)，失穩(wěn)端的安全系數(shù)一定小于穩(wěn)定端，若失穩(wěn)端滿足規(guī)范允許的最小安全系數(shù)，則另一端自動滿足。根據(jù)此原理可得出最終穩(wěn)定計算成果見表1。

表1 COMSOL Multiphysics有限元軟件穩(wěn)定計算結(jié)果

經(jīng)滲流分析可知，在壩坡上游鋪設(shè)土工膜能夠使正常蓄水位壩內(nèi)部浸潤最高點降至死水位以下，并且?guī)焖德淦趬误w內(nèi)部浸潤線相對于正常蓄水位變化并不明顯，說明水位驟降對壩坡上游穩(wěn)定性影響不明顯。初始壩體的最危險滑弧出現(xiàn)在下游，而鋪設(shè)土工膜后下坡的抗滑穩(wěn)定性更加穩(wěn)固，表明鋪設(shè)土工膜后的大壩在正常蓄水位和竣工期的最危險滑弧均在下游，滿足壩體抗滑穩(wěn)定需求。對于庫水位降落期，通過用總應(yīng)力法、有效應(yīng)力法、小值組合法分別進行分析，結(jié)果表明三種方法計算出的最小穩(wěn)定安全系數(shù)均高于最小允許值。以上可以說明，壩坡上游在鋪設(shè)土工膜后在三種工況均處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

3 滲流穩(wěn)定分析

3.1 滲流分析

經(jīng)軟件計算出正常蓄水位穩(wěn)定滲流期、庫水位降落期非穩(wěn)定滲流浸潤線如圖5所示。從圖5中可知，在壩坡上游鋪設(shè)復(fù)合土工膜后，正常蓄水位穩(wěn)定滲流期和庫水位降落期非穩(wěn)定滲流的浸潤線均較低。正常蓄水位穩(wěn)定滲流期的最大滲透比降出現(xiàn)在壩體下游，值為0.07，明顯小于建議允許比降0.53，表明壩體下游不會發(fā)生滲透破壞。庫水位降落期的不同時間段壩坡上游指向壩殼的最大滲透比降均為0，明顯低于允許滲透比降，說明降落期不會發(fā)生滲透破壞。

圖5 正常蓄水位穩(wěn)定滲流期與庫水位降落期非穩(wěn)定滲流期浸潤線示意圖(單位：m)

3.2 穩(wěn)定分析

根據(jù)網(wǎng)格劃分法對壩體斷面進行自動網(wǎng)格剖分，運用理正軟件計算出滲流場及自由面，通過AutoBank軟件建立正常蓄水位滲流期和庫水位降落期的穩(wěn)定計算模型如圖6所示。

在不同工況條件下，計算壩坡穩(wěn)定性結(jié)果見表2。從表中可知，壩坡上游在鋪設(shè)土工膜后，壩坡下游在正常蓄水位穩(wěn)定滲流期和竣工期的最小安全系數(shù)均低于上游，并高于規(guī)范要求的最小允許安全系數(shù)，且?guī)焖唤德淦诘淖钚“踩禂?shù)通過總應(yīng)力法、有效應(yīng)力法、小值組合法計算的結(jié)果均高于允許最小安全系數(shù)，以上分析說明，在三種工況下，大壩安全穩(wěn)定。

圖6 正常蓄水位與庫水位降落期穩(wěn)定計算模型(單位：m)

表2 工程軟件穩(wěn)定計算結(jié)果

4 結(jié) 語

水庫壩體的滲透問題關(guān)系到大壩的安全運行和經(jīng)濟效益，對壩坡的滲流與穩(wěn)定分析是工程安全使用的關(guān)鍵。在反調(diào)節(jié)水庫壩坡上游鋪設(shè)土工膜大壩防滲體后，分析滲流與穩(wěn)定數(shù)值變化，結(jié)果表明：在壩坡上游鋪設(shè)土工膜防滲體，其滲流與穩(wěn)定數(shù)值均在規(guī)范要求范圍內(nèi)。正常蓄水位穩(wěn)定滲流期及庫水位降落期的最大滲透比降均低于建議允許比降，表明大壩不會發(fā)生滲漏；在正常蓄水位穩(wěn)定滲流期及庫水位降落期、竣工期得出的最小穩(wěn)定安全系數(shù)均高于規(guī)范要求，表明大壩安全穩(wěn)定。

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Analysisonstabilityofgeomembraneimpermeableengineeringinre-regulatingreservoir

YI Peng

(XinjiangYiliKashiRiverBasinManagementOffice,Yining835000,China)

The re-regulating reservoir can make up for the shortage of incapable water supply of the reservoir during sand drainage period. It plays an important role for local industry, resident life and economic development. Geomembrane is paved on the upstream area of the earth dam through seepage and stability calculation analysis of geomembrane membrane impermeable engineering in re-regulating reservoir, thereby preventing dam slope leakage instability. Safe operation of the re-regulating reservoir is guaranteed, and functional benefits can be increased. The seepage gradient calculated according to numerical simulation software is smaller than the allowable maximum gradient. The minimum safety coefficient is larger than the minimum allowable value under different working conditions. It is obvious that the dam is in the safe and stable state after the geomembrane is paved on the upstream area of the dam for anti-seepage. The permeability risk is low.

anti-regulating reservoir; geomembrane; seepage control; seepage stability analysis

TV554

：B

：1005-4774(2017)09-0037-05

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.09.010