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      某水庫(kù)工程庫(kù)底封堵方案的比選分析

      2021-08-06 07:37:52劉泳茵龍門縣水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)室
      珠江水運(yùn) 2021年13期
      關(guān)鍵詞:庫(kù)底碾壓水庫(kù)

      劉泳茵 龍門縣水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)室

      水庫(kù)是水利工程中重要的基礎(chǔ)設(shè)施,承載著抗旱、防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖和灌溉等一系列功能,不僅可以改善區(qū)域的生態(tài)環(huán)境,更是促進(jìn)城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵因素。然而,有些水庫(kù)因?yàn)槭褂媚晗蕹L(zhǎng)、質(zhì)量欠佳、環(huán)境影響、管理不當(dāng)?shù)纫蛩兀畮?kù)大壩滲漏現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮,如果不進(jìn)行及時(shí)的封堵,不僅會(huì)危及水庫(kù)的整體安全,還會(huì)造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。由此,制定科學(xué)合理的壩底封堵方案,是解決問(wèn)題的關(guān)鍵所在。

      1.水庫(kù)工程庫(kù)底封堵方案分析

      1.1 比選原則

      通過(guò)評(píng)估分析水庫(kù)滲漏程度得知,水庫(kù)的水量充足后向庫(kù)外滲漏的位置是斷層破碎帶,基于面積不大,并且上游來(lái)水不多,所以選擇的防滲處理方式是庫(kù)底全封閉。而在原有的庫(kù)底封堵設(shè)計(jì)中,計(jì)劃采用的封堵方案為剛性圓弧拱殼體封堵模式,混凝土規(guī)格為C25,中心厚度為4.2米,兩端厚度為2.5米。雖然該封堵模式的優(yōu)勢(shì)是封堵效果好、強(qiáng)度高,但對(duì)水庫(kù)底巖層基礎(chǔ)的要求也相對(duì)高。參考我國(guó)其他區(qū)域庫(kù)底封堵的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),實(shí)施方案考慮利用柔性防滲模式,其流程是進(jìn)行表土清除,碾壓夯實(shí)下層土石形成庫(kù)底持力層,之后進(jìn)行填石+瀝青混凝土面板的柔性封堵。

      1.2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

      借鑒水利工程的相關(guān)經(jīng)驗(yàn),根據(jù)庫(kù)區(qū)的地質(zhì)狀況,設(shè)計(jì)因地制宜的封堵方案,本工程選用的柔性封堵方案,為由上至下的四層結(jié)構(gòu):以巨石塊料換填最底層,厚度為5米;考慮到工程區(qū)沉積層不具備足夠承載力,必須先鋪設(shè)一層巨石塊石料,厚度為2米左右,進(jìn)行碾壓夯實(shí)作為車行的道路,之后再鋪設(shè)大約3米厚的巨石塊料;將1米厚的碎石層鋪在巨石塊料上,再次碾壓夯實(shí),在上面鋪一層0.9米厚的瀝青混凝土面板。根據(jù)本工程的設(shè)計(jì)方案,底層的巨石換填能夠構(gòu)成很好的庫(kù)底排水通道。上面的過(guò)渡層為碎石塊結(jié)構(gòu),滲透系數(shù)大約為每秒0.010厘米,在其上面的碾壓碎石墊層大約滲透系數(shù)為每秒0.001厘米,最上面的瀝青混凝土防滲性能極好,滲透系數(shù)低于每秒10-6厘米。顯而易見(jiàn),利用以上防滲措施,杜絕了使用單一瀝青混凝土地基適應(yīng)性不佳的問(wèn)題,確保了防滲效果,也顯著加強(qiáng)了封堵結(jié)構(gòu)的承載力。

      2.水庫(kù)工程庫(kù)底封堵施工方法確定

      2.1 建模過(guò)程分析

      ANSYS是一款大型商用有限元軟件,是美國(guó)ANSYS公司研制的,其功能完善而強(qiáng)大,尤其是模型的調(diào)整可以通過(guò)與CAD的數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn),不僅讓網(wǎng)格劃分更有效、更合理,而且讓計(jì)算時(shí)間顯著縮短。所以,本工程實(shí)施采用的軟件為ANSYS,以本文案例工程水庫(kù)實(shí)地檢測(cè)結(jié)果以及設(shè)計(jì)方案為參考構(gòu)建數(shù)值計(jì)算模型。為了保證計(jì)算的高效率和穩(wěn)定性,可以適當(dāng)?shù)馗呕幚韼缀文P?,進(jìn)行模型邊界的繪制,計(jì)算模型圖的生成可以通過(guò)提取相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型完成,然后構(gòu)建網(wǎng)格。基于必須具備一定的計(jì)算效率和可靠的精度,可以對(duì)計(jì)算模型實(shí)施網(wǎng)格單元剖分,并加密處理庫(kù)底防滲的局部區(qū)域。

      在本文的試驗(yàn)中,相應(yīng)水位的設(shè)定是選取兩側(cè)庫(kù)壁的表層單元和封堵結(jié)構(gòu)的頂部,并給予對(duì)應(yīng)的水壓力;淤沙荷載的施加可以選取庫(kù)底防沖層的頂部單元線,并可以視作規(guī)格為45.56 kN/m的線性壓力。模擬計(jì)算可以在兩種工況下進(jìn)行,即建成期和蓄水期。其中庫(kù)區(qū)建成使用階段常規(guī)蓄水位高度的計(jì)算,庫(kù)底與水面高度的最大位差40.07米,在這種情況下,通常是三個(gè)方面形成庫(kù)底封堵結(jié)構(gòu)承載的負(fù)荷:水壓力、封堵結(jié)構(gòu)自重和淤沙荷載。因?yàn)樗畮?kù)建成期間沒(méi)有蓄水,可以只考慮封堵結(jié)構(gòu)的自重負(fù)載。

      2.2 結(jié)果比較分析

      2.2.1 沉降量比較

      通過(guò)本文構(gòu)建的有限元計(jì)算模型對(duì)防滲結(jié)構(gòu)沉降變形程度實(shí)施計(jì)算,計(jì)算的條件是兩種不同的施工方式下竣工期和運(yùn)行期的沉降情況。計(jì)算結(jié)果顯示,封堵結(jié)構(gòu)的最大沉降量,不管是建成期還是蓄水期,都會(huì)出現(xiàn)在庫(kù)底中軸線位置,也就是堆石層與過(guò)渡層相交的地方,距離該位置越近沉降量就越大,距離該部位越遠(yuǎn),沉降量就越小。從計(jì)算結(jié)果中將沉降量最大值提取出來(lái),結(jié)果顯示,利用分層碾壓填筑的方式最大沉降量數(shù)值偏小,沉降量減少了1.11厘米,減小幅度為5.13%;比起一次性填筑方式,沉降量減小1.70厘米,減小幅度為6.89%。所以,通過(guò)沉降量的比較,較優(yōu)的施工方式是分層填筑法。

      2.2.2 兩種方式的應(yīng)力比較

      水庫(kù)工程建成之后便進(jìn)入蓄水運(yùn)行階段,而且比起建成期防滲結(jié)構(gòu)應(yīng)力,運(yùn)行期更大。所以,在本文的試驗(yàn)中不但模擬計(jì)算了運(yùn)行期不同施工方式下的應(yīng)力,而且按照分析結(jié)果作為選擇施工方式的參考依據(jù)??紤]到防滲結(jié)構(gòu)不同部位都會(huì)有不同的應(yīng)力分布特征,在研究中會(huì)從模擬計(jì)算數(shù)據(jù)中分別提取模型左邊、右邊的大主應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果,同時(shí)按照計(jì)算結(jié)果繪制對(duì)比圖(見(jiàn)圖1,圖2)。

      圖1 左大應(yīng)力對(duì)比圖

      圖2 右大應(yīng)力對(duì)比圖

      對(duì)比研究顯示,以上兩種施工方式的拉應(yīng)力在斷面左右兩邊變化特征差距特別明顯。如果選擇分層施工方式,該位置的拉應(yīng)力在縮減,只是占據(jù)一次性填筑方式的六分之一,足以顯示利用分層施工方式可以顯著減小防滲結(jié)構(gòu)外圍表層的拉應(yīng)力。分析中部的應(yīng)力分布狀態(tài),不管選擇哪種方式,最大主應(yīng)力都會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力,并且與增加的深度成正比。對(duì)比兩種施工方式,低于3米的深度時(shí),應(yīng)力值大的為一次性填筑方式,而如果在3米以下的深度,應(yīng)力值較大的為分層填筑方式,但二者的數(shù)值差距較小。顯而易見(jiàn),采用何種施工方式對(duì)防滲結(jié)構(gòu)受壓區(qū)域沒(méi)有太大的影響,但受拉區(qū)應(yīng)力值影響很明顯,如果利用分層填筑法,受拉區(qū)域應(yīng)力值明顯偏小,這樣的狀態(tài)更有利于瀝青混凝土防滲層的高度穩(wěn)定。本文通過(guò)比較兩種施工方式的工期和成本,顯示差距不大,故而應(yīng)該選擇分層填筑的施工方案。

      3.結(jié)論

      本文通過(guò)以上的案例工程,結(jié)合該區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和滲漏屬性,確定了柔性的封堵方案,即填石+瀝青混凝土面板;針對(duì)沉降變形的狀況,利用的施工方式是沉降量較小的分層碾壓填筑的方法;分析應(yīng)力分布拉施工方式,對(duì)防滲結(jié)構(gòu)受壓區(qū)域沒(méi)有明顯的影響,而選擇分層填筑施工手段,應(yīng)力值在受拉區(qū)域內(nèi)偏小,該方式切實(shí)可行;通過(guò)比選,建議本工程選擇分層填筑的施工方案。

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