基于有限元法的均質(zhì)土壩滲流安全評價分析與應(yīng)用

劉書軍

(重慶交通職業(yè)學院,重慶 402247)

有限元法廣泛應(yīng)用于空間結(jié)構(gòu)、板殼結(jié)構(gòu)[1-3],近年來隨其理論的成熟,其應(yīng)用范圍也推展到水利工程中[4-5]。

1 工程概況

新民水庫壩址位于長江水系桃花溪油房溝支流,全流域控制集水面積363.8km2,河道全長72km,主河道平均比降5.1‰,河源高程720m,河口高程153m,全河道落差567m。新民水庫為碾壓土石壩,由主壩、副壩、溢洪壩、放水設(shè)施、附屬設(shè)施組成。主壩為黏土均質(zhì)壩,壩頂長度125m,頂寬4.0m,最大壩高18.6m,壩頂高程357.21m,正常蓄水位397.9m。貼坡排水高程為347.11m,頂寬1.5m。副壩壩頂高程為357.21m,壩頂寬4m,最大壩高6.89m,壩軸線長68.0m。

2 大壩滲流安全評價

2.1 計算斷面

新民水庫大壩主要建筑物為4級建筑物,采用有限元法計算該水壩(均質(zhì)土壩)滲流情況,計算斷面選擇大壩最大壩高處壩體橫斷面作為滲流分析的典型斷面(見圖1和圖2),采用河海大學Auto-bank7.0滲流分析計算軟件[6]。

圖1 主壩大壩橫剖面 (尺寸單位:mm;高程單位:m)

圖2 副壩大壩橫剖面 (尺寸單位:mm;高程單位:m)

2.2 計算工況與參數(shù)

大壩滲流計算工況應(yīng)為水庫運用期可能遇到的工作條件,結(jié)合大壩實際運行情況[7],設(shè)定計算工況見表1。

表1 大壩滲流計算工況

以對壩體土樣及壩基巖樣進行試驗為基礎(chǔ),得到壩體及壩基巖體物理力學指標,見表2和表3。

表2 壩體填料計算參數(shù)

表3 壩基巖體計算參數(shù)

根據(jù)已成工程類比取用滲透系數(shù)[8],穩(wěn)定滲流期滲透系數(shù)的大值平均值計算,非穩(wěn)定滲流期滲透系數(shù)的小值平均值計算。透水率與滲透系數(shù)之間按經(jīng)驗公式K=q×1.5×10-5cm/s進行換算。壩體材料滲透系數(shù)見表4。

表4 壩體材料滲透系數(shù)

2.3 滲流計算成果

本次水庫滲流計算采用與2008年水庫除險加固設(shè)計一致的假設(shè)高程系統(tǒng)[9],該假設(shè)高程系統(tǒng)與85高程系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系為:假設(shè)高程-43.29m=85高程。

2.3.1 主壩計算成果

經(jīng)有限元法計算分析并成圖,大壩在各種工況下的滲流計算成果見圖3～圖7。

圖3 大壩正常蓄水位工況滲流計算成果

圖4 大壩設(shè)計洪水位工況滲流計算成果

圖5 大壩校核洪水位工況滲流計算成果

圖6 大壩正常蓄水位降落至死水位工況滲流計算成果

圖7 大壩校核洪水位驟降至大壩正常蓄水位工況滲流計算成果

2.3.2 副壩計算成果

經(jīng)有限元法計算分析并成圖,大壩在各種工況下的滲流計算成果見圖8～圖12。

圖8 大壩正常蓄水位工況滲流計算成果

圖9 大壩設(shè)計洪水位工況滲流計算成果

圖10 大壩校核洪水位工況滲流計算成果

圖11 大壩正常蓄水位降落至死水位工況滲流計算成果

圖12 大壩校核洪水位驟降至大壩正常蓄水位工況滲流計算成果

2.3.3 計算成果

根據(jù)上述計算方法和理論、計算參數(shù)及計算工況,進行滲流計算,滲流計算成果見表5和表6。

表5 水庫主壩滲流計算成果

表6 水庫副壩滲流計算成果

2.4 滲流分析

a.采用《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)推薦的土體滲透變形判別公式:

式中:PC為土的細粒顆粒含量,以質(zhì)量百分率計,%;n為土的孔隙率,取37.9%。

本水庫大壩施工時利用附近土料填筑,填筑料級配連續(xù)。結(jié)合同期施工附近水庫工程篩分實驗成果[10],PC值均大于50%,高于臨界值,可判定本水庫大壩滲透破壞類型為流土。

流土臨界水力比降采用《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)推薦的方法確定:

Jcr=(Δ-1)(1-n)

式中:Δ為土粒比重,Δ=2.72;n為土的孔隙率,取37.9%。

流土臨界水力比降Jcr=1.068。

允許水力比降計算方法:

式中:KB為流土安全系數(shù),此處采用1.5。

根據(jù)上式計算出允許水力比降[J]為0.712。

計算得到的大壩最大滲透比降為0.323,小于發(fā)生流土的允許比降,滿足規(guī)范要求。

b.主壩壩體單寬滲流量介于1.45×10-6～1.61×10-6m3/(s·m)之間,壩體屬于弱透水級,合0.13～0.14m3/(d·m),以大壩均長125m計,大壩日滲漏量為15.66～17.39m3。副壩壩體單寬滲流量介于5.98×10-7～8.12×10-7m3/(s·m)之間,壩體屬于弱透水級,合0.05～0.07m3/(d·m),以大壩均長68m計,大壩日滲漏量為3.51～4.77m3?？傆嬋諠B漏量為19.17～22.16m3。

大壩最大出逸比降為0.323,小于允許水力比降0.712,大壩不可能發(fā)生流土破壞,出逸高度處于合理范圍內(nèi)。

綜上所述,大壩不存在滲流破壞問題。

3 滲流安全評價結(jié)論

a.通過各工況的滲流計算,主壩壩體單寬滲流量介于1.45×10-6～1.61×10-6m3/(s·m)之間,副壩壩體單寬滲流量介于5.98×10-7～8.12×10-7m3/(s·m)之間,壩體屬弱透水級,滲流量不會對水庫蓄水造成功能性破壞。

b.大壩最大出逸比降為0.323,小于允許水力比降0.712,滿足規(guī)范要求,不會發(fā)生滲透破壞。

c.溢洪道設(shè)置在主壩的右岸,邊墻及底板襯砌結(jié)構(gòu)完好,不存在滲流安全問題。

d.未發(fā)現(xiàn)放水設(shè)施存在滲漏現(xiàn)象,放水管無損壞,閘閥啟閉正常,整體運行良好。

e.大壩反濾排水設(shè)施完善,大壩在運行過程中未見異常滲流現(xiàn)象。

依據(jù)《水庫大壩安全評價導則》(SL 258—2017),該工程的滲流性態(tài)安全,評定新民水庫大壩滲流安全等級為A級。