特高混凝土面板堆石壩排水體局部缺陷排水量影響研究

周 恒，黃 鵬，陸 希，狄圣杰，張 瑩

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065；2.國家能源水電工程技術研發(fā)中心高邊坡與地質災害研究治理分中心，陜西 西安 710065)

0 引 言

土石壩是應用最為廣泛的一種擋水建筑物[1]，我國是世界上100 m以上高土石壩數(shù)量最多的國家，在100～200 m級高土石壩建設與運行安全保障方面積累了豐富經驗，同時，已建、在建和擬建壩高200 m以上特高土石壩數(shù)量亦居世界之首。復雜地形地質條件和惡劣氣候環(huán)境給這些高壩大庫建設與長期安全運行帶來了嚴峻挑戰(zhàn)，其中壩體滲流問題是土石壩工程中需要重點關注的問題之一，雖然通過面板壩、心墻壩等壩體設計達到了一定的防滲效果，但仍有管涌、流土、接觸沖刷等破壞的發(fā)生[2-3]，據(jù)統(tǒng)計國內外45%的土石壩失事原因都是滲流破壞[4]。

目前，國內高度超過200 m的混凝土面板堆石壩已有多座[5- 6]，針對300 m級混凝土面板堆石壩已開展多項關鍵技術的研究工作[7]，學者主要關注由堆石體變形、面板和堆石材料的接觸問題等影響因素，引起的面板的擠壓破壞問題[8-10]。由于高面板壩的首選筑壩材料砂礫石料的透水性能相比于塊石料有較大差距，為盡快降低壩體浸潤線高度、保證壩體滲透安全穩(wěn)定性，一般要求在壩體內設置滲透系數(shù)較大的L形排水體。但當L形排水體水平段受壩體變形或細顆粒沖淤局部發(fā)生沉陷、淤堵等工程缺陷后，對壩體滲流穩(wěn)定的影響，目前研究較少。一般來說，水平排水體僅在平面上局部發(fā)生出現(xiàn)缺陷，不會影響到整體排水，但當水平排水體在沿河方向出現(xiàn)了條帶狀的缺陷時，可能影響到排水體的排水性能。本文從排水體的排水能力研究角度出發(fā)，采用有限元數(shù)值滲流分析方法，對排水體發(fā)生局部缺陷時對其排水能力的影響進行分析研究。

圖1 某混凝土面板堆石壩標準剖面示意(單位：m)

1 基本條件及原理

1.1 基本條件

以我國在建的某特高混凝土面板堆石壩作為研究對象，該壩壩高257.5 m，壩體主要包含混凝土面板、墊層區(qū)、過渡區(qū)、反濾料區(qū)、排水區(qū)、下游堆石區(qū)等材料分區(qū)，其排水形式為L形排水體，水平排水體厚5 m，壩體標準剖面如圖1所示。分析模型水頭邊界條件為上游面總水頭選取水位2 980.00 m，下游面總水頭選取水位2 770.51 m，其中，上、下游設置為常水頭邊界，下游2 770.51～2 936.65 m高程邊界設置為可能的排滲邊界，以模擬實際可能出現(xiàn)的水頭浸潤線隨機排泄位置；位移邊界條件為基礎上下游側和底部均施加兩向約束。

研究排水體局部缺陷對其排水能力的影響時，通過與排水體正常時排水能力比較，以對壩體排水量的影響來評判排水體局部缺陷對排水體排水能力的影響。排水體缺陷定義為兩方面：一是排水體局部沉降；二是排水體局部淤堵。根據(jù)標準剖面建立數(shù)值分析模型，預設排水體沉降及淤堵缺陷單元嵌入整體模型，考慮了不同沉降變形值、淤堵段范圍等影響因素，設置模型的水頭等邊界條件，分區(qū)賦值參數(shù)，研究排水體缺陷問題對壓力水頭、浸潤線、排水量等影響。壩體各料區(qū)滲透系數(shù)參數(shù)選取見表1。

1.2 基本原理

不考慮土體和水體的壓縮性，符合達西定律的非均質各向異性土體，二維穩(wěn)定滲流問題的基本方程為

(1)

式中，h為水頭函數(shù)；kx、ky分別為以x、y軸為主軸方向的滲透系數(shù)。

對于面板壩穩(wěn)定滲流，基本方程的定解條件僅有邊界條件，即

h(x，y)|Γ1=f(x，y)

(2)

(3)

式中，f(x，y)為給定水頭函數(shù)；n為滲流邊界的外法線方向；Γ1為已知水頭值的邊界；Γ2為給定流量的邊界；q為邊界上單位面積流的流量。

2 排水體局部缺陷計算結果

2.1 排水體局部沉降

排水體正常服役(即不考慮缺陷影響)時，壩體浸潤線如圖2所示，此時排水量為0.003 255 2 m3/s，將缺陷影響的量值與標準時進行對比，探求缺陷影響的相關規(guī)律。在混凝土面板堆石壩長期服役過程中，由于壩體沉降變形作用，導致水平排水體可能出現(xiàn)局部沉降變形，排水體局部沉降預設如圖3所示，根據(jù)壩體非線性應力應變計算成果，局部變形長度按180 m估算，局部沉降依據(jù)設置的不同高度進行多組分析，發(fā)生沉降缺陷時排水影響如圖4所示，此時排水量為0.003 064 1 m3/s。

圖3 排水體沉降變形位置示意

圖4 排水體局部沉降時壓力水頭(單位：m)

2.2 排水體局部淤堵

考慮到排水體作為排滲通道，粒徑較小的顆粒沿滲流路徑移動，可能導致水平局部位置發(fā)生淤堵，對其排水能力會產生影響。排水體局部淤堵時，其滲透系數(shù)應在壩體砂礫石料(3.34×10-5m/s)和排水體料(1.64×10-2m/s)之間，故設定淤堵位置的滲透系數(shù)為1×10-5m/s，水平排水體局部淤堵位置如圖5所示，排水體局部淤堵預設不同范圍，發(fā)生淤堵缺陷時排水影響如圖6所示，此時排水量為0.002 653 6 m3/s。

圖5 排水體淤堵位置示意

圖6 排水體局部淤堵時壓力水頭(單位：m)

3 排水體局部缺陷排水能力分析

3.1 排水體局部沉降排水能力分析

為研究局部沉降對排水能力的影響，通過設置不同的排水體沉降變形高度，進行統(tǒng)計計算排水量的變化，獲得了排水體沉降最大變形高度與排水量的關系曲線及擬合公式，如圖7所示。橫坐標為沉降缺陷比，為排水體沉降最大變形值H′與排水體厚度H的比值，縱坐標為排水量比，為排水體發(fā)生沉降變形時的排水量Q′與排水體正常時的標準排水量Q比值。由圖7可知，當水平排水體在一定范圍內發(fā)生沉降變形時，排水量與沉降變形高度呈負相關關系，復相關系數(shù)達0.998 6。當沉降變形比排水體厚度不超過1.00時，排水量減小比例在0.05以內，表明沉降變形不大時，排水量變化幅度較小。

圖7 排水體局部沉降變形高度比與排水量比的關系曲線

3.2 排水體局部淤堵排水能力分析

通過設置不同的水平排水體淤堵范圍，進行統(tǒng)計計算排水量變化，獲得了局部淤堵范圍與排水量的關系曲線及擬合公式，如圖8所示。橫坐標為淤堵缺陷比，為水平排水體淤堵范圍L′與水平排水體長度L的比值，縱坐標為排水量比，為排水體發(fā)生淤堵時的排水量Q′與排水體正常時的排水量Q比值。由圖8可知，當水平排水體在一定范圍內發(fā)生淤堵時，排水量與淤堵范圍呈負相關關系，復相關系數(shù)達0.996 5。與排水體正常時相比，當排水體局部發(fā)生淤堵時，淤堵會造成排水體排水不暢，在淤堵斷面前壩體浸潤線高度明顯升高；由于壩體砂礫石的滲透系數(shù)相對較小，壩體滲漏水只能通過排水體排出，而由于淤堵部位的阻滲，排水體的排水量明顯減小。這說明，當壩體各分區(qū)未發(fā)生滲透破壞時，排水體局部淤堵對其排水能力影響較大。

圖8 排水體局部淤堵長度比與流量比的關系曲線

3.3 排水體局部缺陷滲透系數(shù)影響分析

為了進一步分析排水體局部缺陷位置滲透系數(shù)對排水體排水量的影響，以水平排水體局部淤堵范圍100 m為代表，對缺陷位置滲透系數(shù)的敏感性進行分析。按壩體砂礫石滲透系數(shù)3.34×10-5m/s、正常排水體滲透系數(shù)1.64×10-2m/s不變，通過設置排水體局部缺陷位置的不同滲透系數(shù)，進行計算統(tǒng)計排水量變化，獲得了局部缺陷位置滲透系數(shù)與排水量的關系曲線及擬合公式，如圖9所示。橫坐標為滲透系數(shù)比，為水平排水體局部缺陷位置滲透系數(shù)K′與排水體滲透系數(shù)K的比值，縱坐標為排水量比，為排水體發(fā)生局部缺陷時的排水量Q′與排水體正常時的排水量Q比值。由圖9可知，排水體局部缺陷部位的滲透系數(shù)的減小，排水體局部缺陷部位以前的壩體浸潤線升高，且排水體的排水量減小，呈正相關關系，復相關系數(shù)達0.961 8。

圖9 排水體局部缺陷位置滲透系數(shù)比與流量比關系曲線

在排水量減小的幅度方面，當排水體局部缺陷部位的滲透系數(shù)比壩體砂礫石料的滲透系數(shù)小時，排水量減小幅度較小，當排水體局部缺陷部位滲透系數(shù)小于10-6m/s時，排水體的排水量幾乎不再發(fā)生變化；當淤堵部位的滲透系數(shù)比壩體砂礫石料的滲透系數(shù)大時，排水量減小幅度較大。這反映出，當排水體局部缺陷部位的滲透系數(shù)大于壩體砂礫石的滲透系數(shù)時，壩體滲漏水大部分會通過排水體局部缺陷部位后再進入正常的排水體排出壩體；而當排水體局部缺陷部位的滲透系數(shù)小于壩體砂礫石的滲透系數(shù)時，有部分壩體滲漏水通過壩體砂礫石進行排泄。

4 結 論

本文針對混凝土面板堆石壩的排水體局部沉降變形、淤堵等局部缺陷情況，對比排水體正常時的浸潤線分布和排水量，可得到以下結論：

(1)水平排水體受壩體沉降影響局部發(fā)生沉降或淤堵后，排水量與沉降量值、淤堵范圍呈負相關關系；排水體沉降變形小于排水體厚度時，對其排水量影響較小；當排水體局部淤堵延伸至一定范圍時，由于阻滲作用，范圍繼續(xù)增加對排水量影響不大。

(2)當排水體發(fā)生局部缺陷時，排水體缺陷部位的滲透系數(shù)與排水量呈正相關關系，且當缺陷部位的滲透系數(shù)比壩體砂礫石料大時，排水量減幅較大；當缺陷部位的滲透系數(shù)比壩體砂礫石料小時，排水量減幅較小。

(3)水平排水體局部沉降變形高度比與流量比、局部淤堵長度比與排水量比統(tǒng)計規(guī)律關系式為多項式，局部缺陷位置滲透系數(shù)比與排水量比規(guī)律關系式為冪函數(shù)。根據(jù)獲取的相關規(guī)律關系擬合公式，當類似工程排水體發(fā)生局部缺陷時，可通過內插法或外推法進行初步評估，為后續(xù)精細化評估提供一定的參考和借鑒。