不同工況下的面板堆石壩施工期度汛滲透穩(wěn)定性研究

楊 富

(黔西南州冊(cè)亨縣水務(wù)局,貴州 冊(cè)亨 552200)

0 引 言

面板堆石壩由于具有穩(wěn)定性好、承受水壓力的性能強(qiáng)、壩體透水性和節(jié)約投資等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用,其由堆石體作為支承結(jié)構(gòu),混凝土面板作為防滲結(jié)構(gòu)。其中,高壩的高度往往在70m以上,且建造環(huán)境較為復(fù)雜,因此施工難度大、周期長(zhǎng),難以用常規(guī)的堆石壩建造經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行指導(dǎo)。此外,面板堆石壩一般修建于峽谷地帶,建造時(shí)一般采用圍堰截流的方法進(jìn)行度汛。在建造初期,面板堆石壩可以按照導(dǎo)流設(shè)計(jì)進(jìn)行度汛,而建造完畢后,則按照臨時(shí)洪水標(biāo)準(zhǔn)度汛[1-2]。在擋水度汛期間,為了保證面板堆石壩的性能,需要對(duì)其上游壩坡進(jìn)行保護(hù),而面板堆石壩的擋水度汛穩(wěn)定性,同樣影響整個(gè)堆石壩的安全。面板堆石壩的擋水度汛穩(wěn)定性不僅受限于工程形式和布置,還與徑流量、洪水峰量等水文特征息息相關(guān)。尤其對(duì)于面板堆石壩圍堰,其施工期往往包含多個(gè)度汛期,故在建造時(shí)需要充分考慮壩體的度汛滲透穩(wěn)定性,以確保面板堆石壩能安全運(yùn)行。

因此,為了分析面板堆石壩的度汛滲透穩(wěn)定性,本文以冊(cè)亨水庫(kù)工程為例,通過(guò)數(shù)值分析法,對(duì)不同工況下的面板堆石壩施工期度汛滲透穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1 不同工況下面板堆石壩計(jì)算模型

1.1 工程概況

冊(cè)亨水庫(kù)工程位于貴州省黔西南州冊(cè)亨縣境內(nèi),由水源工程、供水灌溉工程等組成,其中水源工程位于冊(cè)亨縣城上游約9km的北盤江一級(jí)支流者樓河中游河段。冊(cè)亨水庫(kù)供水、灌溉對(duì)象為者樓鎮(zhèn)和巖架鎮(zhèn)的水庫(kù)下游、者樓河兩岸范圍。冊(cè)亨縣高洛新區(qū)供水工程位于者樓街道辦東風(fēng)村浪沙組冊(cè)亨水庫(kù)供水灌溉工程隧洞出口南側(cè)約 260m 處,被列為冊(cè)亨縣2020年重點(diǎn)建設(shè)工程。

冊(cè)亨縣高洛新區(qū)供水工程位于貴州省黔西南州冊(cè)亨縣境內(nèi),建設(shè)規(guī)模為1.0×104m3/d。冊(cè)亨縣高洛新區(qū)供水工程的主要建設(shè)內(nèi)容為:新建凈水廠1座,包括絮凝沉淀池、V型濾池+反沖洗房、清水池、加藥消毒間、綜合樓等及其他配套設(shè)施建設(shè)。其中,凈水廠位于冊(cè)亨水庫(kù)輸水隧洞南側(cè)約260m處(現(xiàn)狀為葛洲壩一公司施工營(yíng)地)新建水廠。給水廠設(shè)計(jì)占地面積為0.585 3hm2(征地紅線范圍),本工程水廠設(shè)計(jì)地面高程為557.30～562.30m,清水池池底設(shè)計(jì)高程555.30m。凈水廠廠區(qū)現(xiàn)狀所處地形高程547.60～575.00m,整體高差不大,廠區(qū)占地面積0.516hm2,給水廠設(shè)計(jì)地面高程557.30m～562.30,清水池池底設(shè)計(jì)高程555.30m。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,開挖邊坡為土質(zhì)邊坡,坡率采用1∶1.5。如遇高邊坡,在邊坡高8m處設(shè)置一級(jí)馬道,馬道寬1.5m,開挖后采用C25鋼筋砼草皮護(hù)坡。水庫(kù)的校核洪水位738.41m,設(shè)計(jì)洪水位和正常蓄水位均為736m。正常蓄水位時(shí),水庫(kù)面積0.685km2;死水位701m,死庫(kù)容234.8×104m3,興利庫(kù)容1 431.4×104m3?；炷撩姘宥咽瘔螇雾敻叱?39.3m,最大壩高75.7m,頂部長(zhǎng)211.8m。

1.2 面板堆石壩計(jì)算模型構(gòu)建

面板堆石壩以堆石體為支承結(jié)構(gòu),在其上游表面澆筑混凝土面板作為防滲結(jié)構(gòu)的堆石壩,具有壩坡的穩(wěn)定性好、承受水壓力的性能強(qiáng)、壩體透水性和抗震性好、施工導(dǎo)流與度汛方便等優(yōu)點(diǎn)。但面板堆石壩的工程量巨大,施工環(huán)境較為復(fù)雜,導(dǎo)致施工周期往往橫跨多個(gè)度汛期,對(duì)壩體的穩(wěn)定性提出更高的要求[3-4]。因此,為了探究面板堆石壩不同工況下的度汛滲透穩(wěn)定性,研究建立面板堆石壩計(jì)算模型。

為了方便計(jì)算,以河流橫截面為X軸,左岸為正向;以河流流向?yàn)閆軸,下游為正向;以垂直方向?yàn)閅軸,垂直向上為正;以大壩軸線與河床中線交點(diǎn)的零標(biāo)高處為原點(diǎn)。整個(gè)模型的計(jì)算邊界為上下游壩腳各自向上下游延伸1倍壩高;垂直方向向上至壩頂,向下至不透水層以下100m處;右岸范圍為距壩肩350m處,敏感性分析帷幕長(zhǎng)度300m;左岸考慮到存在地下廠房的問(wèn)題,其帷幕距壩肩440m[5-7]。

在面板堆石壩的度汛滲流分析中,使用材料種類豐富,共涉及19種材料,具體包括:混凝土面板、墊層、墊層趾板、主堆石、次堆石1/2、過(guò)渡層、壩基防滲帷幕、壩頂材料、河床巖組、基巖等。由于材料種類過(guò)多,導(dǎo)致計(jì)算難度較大,為了方便計(jì)算,將其進(jìn)行簡(jiǎn)化。各材料的參數(shù)取值見(jiàn)表1。

由表1可知,為了方便計(jì)算,研究將度汛滲流分析的材料分為3類,即壩基、壩體和灌漿帷幕。由于灌漿帷幕的灌漿效果有一定差距,因此對(duì)其中灌漿效果較差的情況進(jìn)行考慮。

1.3 不同工況下的面板堆石壩滲流計(jì)算

在進(jìn)行面板堆石壩的滲流計(jì)算時(shí),考慮到不同條件下特征水位的影響,研究根據(jù)特征水位對(duì)上下游水頭邊界、自由出滲邊界和不透水邊界進(jìn)行構(gòu)建。拉哇水電站的正常蓄水位736m,死水位701m,設(shè)計(jì)洪水位736m,校核洪水位738.41m。壩體模型的邊界條件見(jiàn)圖1。

圖1 壩體模型邊界條件

由圖1可知,模型的縱向邊界為由壩體分別向上下游延伸239m處,橫向邊界為向左右岸分別延伸350和440m;垂直邊界分別為壩頂和不透水層下方100m處。為了方便進(jìn)行滲流計(jì)算,研究采用三維八節(jié)點(diǎn)六面體和二維平面四節(jié)點(diǎn)等進(jìn)行模擬,并利用網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行劃分。在劃分時(shí),考慮到大壩面板、河床防滲帷幕、面板連接縫和灌漿帷幕等對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較大,因此對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格加密處理,而對(duì)其余影響較小的部位進(jìn)行減密處理[8-10]。

為了對(duì)不同工況下的面板堆石壩度汛滲透特點(diǎn)進(jìn)行分析,研究以其度汛特點(diǎn)為根據(jù),對(duì)工況進(jìn)行分類,具體包括墊層直接擋水度汛、墊層及一期面板聯(lián)合擋水度汛、墊層及二期面板聯(lián)合擋水度汛。各工況下度汛及滲流特點(diǎn)見(jiàn)表2。

表2 不同工況下的度汛及滲流特點(diǎn)

由表2可知,工況1-工況3均為大壩的滲透穩(wěn)定問(wèn)題。其中,工況1為墊層直接擋水度汛,此時(shí)臨時(shí)壩頂高程為730.3m;工況2為一期面板澆筑完畢;工況3的庫(kù)水位為728 m。工況4與工況1均為墊層直接擋水度汛,但工況4的庫(kù)水位為無(wú)水,此時(shí)的工況屬于最危險(xiǎn)的工況,所研究的是上游壩坡的穩(wěn)定性。工況5與工況2類似,但庫(kù)水位會(huì)驟降至無(wú)水,此時(shí)研究的是上游壩坡和一期面板的穩(wěn)定性。工況6與工況3類似,但庫(kù)水位降至715m,此時(shí)工況的危險(xiǎn)程度僅次于工況4,所研究的是上游壩坡和二期面板的穩(wěn)定性。

2 不同工況下的面板堆石壩施工期度汛滲透穩(wěn)定性分析

為了對(duì)面板堆石壩不同工況下的度汛滲透穩(wěn)定性進(jìn)行分析,研究將其分為墊層直接擋水度汛、墊層及一期面板直接擋水度汛以及墊層及二期面板直接擋水度汛3種。本節(jié)將對(duì)墊層直接擋水度汛的滲透穩(wěn)定性進(jìn)行分析,并將該工況分為穩(wěn)定滲流和水位驟降兩類。墊層直接擋水度汛時(shí)的臨時(shí)壩頂高程730.3m,庫(kù)水位716m。此時(shí),穩(wěn)定滲透和水位驟降時(shí)墊層直接擋水度汛的水力坡降變化見(jiàn)圖2。

圖2 穩(wěn)定滲透和水位驟降時(shí)的水力坡降變化

由圖2(a)可知,在大壩的中心剖面上,庫(kù)水位為710、720和730m時(shí),其水力坡降的峰值均在-220～-150m處,此時(shí)水力坡降均為0.5。當(dāng)庫(kù)水位為710、720和730m時(shí),水力坡降的次高峰分別出現(xiàn)在150、150和200m處左右,此時(shí)水力坡降值分別為0.1、0.15和0.1。由此可見(jiàn),各高程下水力坡降均沿河流順向先上升后下降,待出現(xiàn)次高峰后,水力坡降逐漸變緩。由圖2(b)可知,不同高程下,水位驟降時(shí)的水力坡降均沿河流順向先上升后下降,再上升并下降;整個(gè)堆石壩內(nèi)部的水力坡降值較小,而迎水面和背水面的坡降值較大。當(dāng)高程為710、720和730m時(shí),水力坡降的最大值均出現(xiàn)在180m處,對(duì)應(yīng)的水力坡降值分別為0.8、0.77和0.74。而在與堆石壩相距480m處左右,各高程的水力坡降再次上升至較高水平,此時(shí)各高程下的水力坡降值分別為0.77、0.75和0.74。上述結(jié)果表明,當(dāng)庫(kù)水位不發(fā)生劇烈變化時(shí),堆石壩的滲透狀態(tài)穩(wěn)定,而當(dāng)庫(kù)水位發(fā)生驟降時(shí),堆石壩的滲流量較大,大壩存在破壞風(fēng)險(xiǎn)。

不同狀態(tài)下,墊層及一期面板聯(lián)合擋水度汛的水力坡降變化見(jiàn)圖3。

圖3 墊層及一期面板聯(lián)合擋水度汛的水力坡降變化

由圖3(a)可知,在大壩的中心剖面上,庫(kù)水位為710、720和730m時(shí),其水力坡降的峰值均出現(xiàn)在-200m處左右,此時(shí)水力坡降均為0.75。當(dāng)庫(kù)水位為710、720和730m時(shí),水力坡降的次高峰分別出現(xiàn)在100～200、150和200m處左右,此時(shí)水力坡降值分別為0.15、0.2和0.15。由此可見(jiàn),各高程下水力坡降均沿河流順向先上升后下降,待出現(xiàn)次高峰后,水力坡降同樣逐漸變緩。由圖3(b)可知,不同高程下,水位驟降時(shí)的水力坡降均沿河流順向先上升后下降。當(dāng)高程為710、720和730m時(shí),水力坡降的最大值均出現(xiàn)在210m處,對(duì)應(yīng)的水力坡降值分別為15.4、15.1和15。而在與堆石壩的距離達(dá)到250m以上后,各高程的水力坡降值均下降至0左右,并保持相對(duì)穩(wěn)定。結(jié)果表明,此時(shí)堆石壩的迎水面水力坡降值較大,一期面板具有較好的擋水作用。

墊層及二期面板聯(lián)合擋水度汛的水力坡降見(jiàn)圖4。

圖4 墊層及二期面板聯(lián)合擋水度汛的水力坡降

由圖4(a)可知,在大壩的中心剖面上,各高程的水力坡降均先上升后下降,并在-200～250m的區(qū)間內(nèi)呈劇烈波動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)庫(kù)水位為710、720和730m時(shí),其水力坡降的峰值均出現(xiàn)在-150m處左右,此時(shí)水力坡降均為1.1。當(dāng)庫(kù)水位為710、720和730m時(shí),水力坡降的次高峰均出現(xiàn)在250m處左右,此時(shí)水力坡降值均為0.4;并且在距離達(dá)到400m以后,水力坡降逐漸變緩并趨于穩(wěn)定。由圖4(b)可知,不同高程下,水位驟降時(shí)的水力坡降均沿河流順向先上升后下降。當(dāng)高程為710、720和730m時(shí),水力坡降的最大值均出現(xiàn)在130m處,對(duì)應(yīng)的水力坡降值分別為39、38.6和38.1。而在與堆石壩的距離達(dá)到150m以上后,各高程的水力坡降值均下降至0左右,并保持相對(duì)穩(wěn)定。由此可見(jiàn),此時(shí)堆石壩的迎水面水力坡降值較大,二期面板具有較好的擋水作用。

為了進(jìn)一步研究水位驟降情況下堆石壩的穩(wěn)定性,研究通過(guò)力矩法和推力法,對(duì)其安全性進(jìn)行分析。水位驟降時(shí),不同工況的上游壩坡安全系數(shù)見(jiàn)圖5。

圖5 水位驟降條件下不同工況的上游壩坡安全系數(shù)

由圖5(a)可知,在水位驟降條件下,墊層直接擋水度汛時(shí),上游壩坡的安全系數(shù)隨時(shí)間的推移呈階梯式下降趨勢(shì),并最終穩(wěn)定在1.9左右,其原因是隨著水位的降低,上游的滲透壓逐漸上升。在墊層和一期面板聯(lián)合擋水度汛時(shí),上游壩坡的安全系數(shù)隨時(shí)間的推移逐漸下降,最終同樣穩(wěn)定在1.9左右,其原因是隨著水位的下降,上游的滲透壓同樣逐漸上升。而在墊層和二期面板聯(lián)合擋水度汛時(shí),上游壩坡的安全系數(shù)隨著時(shí)間的推移較為平緩的下降,最終穩(wěn)定在3左右,其原因是隨著水位的下降,雖然上游的滲透壓逐漸上升,但由于面板具有良好的擋水作用,導(dǎo)致安全系數(shù)穩(wěn)定在一個(gè)較高水平。由圖5(b)可知,通過(guò)推力法得到的安全系數(shù)變化情況與力矩法一致。

3 結(jié) 論

為了探究不同工況下面板堆石壩的滲透特性,本文以拉哇水電站為例進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示,當(dāng)高程為710m時(shí),在墊層擋水度汛工況下,其穩(wěn)定滲流時(shí)的水力坡降峰值為0.5;水位驟降時(shí)的水力坡降峰值為0.8。墊層和一期面板聯(lián)合擋水度汛工況下,穩(wěn)定滲流和水位驟降時(shí)的水力坡降峰值分別為0.75和15.4;墊層和二期面板聯(lián)合擋水度汛工況下,穩(wěn)定滲流和水位驟降時(shí)的水力坡降峰值分別為1.1和39。研究表明,當(dāng)庫(kù)水位發(fā)生驟降時(shí),在墊層擋水度汛工況下大壩存在破壞風(fēng)險(xiǎn),而在其余兩種工況下,由于面板具有擋水作用,大壩的安全性仍然較高。