泰山抽水蓄能电站隧洞工程围堰设计与稳定性分析

泰山抽水蓄能电站隧洞工程围堰设计与稳定性分析

泰山供水系统的入口和出口，出水口通过京沪铁路和京福路。期间还将穿过断层破碎带,围岩受多条节理裂隙切割。其中围堰坐落在F4断层影响带。其施工导流采用全断面全年断流的土石围堰加高压喷射灌浆防渗心墙型式,围堰最大堰高10m,最大挡水水头约为9m,整个围堰要求在一个枯水期内建成。围堰轴线全长690.5m,围堰水深在标号S4处最深,约为9m。围堰设计应考虑到防洪和度汛标准,同时以挡水围堰添筑的防渗、止水为关键。设计标准按全年50年一遇设计,流量Q=1300m3/s,围堰挡水高程为165.4m,围堰后期度汛标准为全年100年一遇洪水,流量Q=1490m3/s,来流量由改建完成的下游水库溢洪道下泄,其水位不高于围堰设计水位。根据施工方案确定围堰的坡脚线和围堰的轴线位置,轴线长690.5m。根据施工方的围堰选型,采用高压喷射灌浆防渗心墙结合土工膜柔性防渗心墙围堰。围堰填料采用上游水库开挖的砂粘土、砂石土的混合料,个别块石粒径达到50cm。围堰填筑采用自然堆坡,迎水坡坡角为1∶1.5,背水坡坡角为1∶1.7。堰顶土体利用行走的重车压实。为了便于工程车的行走,堰顶顶部宽度为6m。堰体填料约为9.45×104m3,高压喷射灌浆防渗心墙约为13362延米。土工膜施工约2054m2,混凝土底座约为102m3。本文针对含防渗心墙围堰进行三维流——固耦合分析,在此基础上并综合考虑围堰整体抗渗的影响,施工过程的影响和边坡稳定的影响,指出防渗心墙和开挖对围堰和堤基的整体稳定的影响。为围堰下步施工提供理论依据。1将区基岩建设组成,其下基岩的基岩分布为三维基岩围堰堰体防渗结构上部采用防渗土工膜,围堰堰体下部和堰基采用高压喷射灌浆防渗心墙方案。围堰堰体由强透水的堆石料和石渣料堆筑而成。围堰处的河床覆盖层由砂砾石层组成,一般厚度2～5m,透水性强,但已被防渗墙完全隔断。其下的全风化或强风化岩层厚度一般在7～15m之间,其中防渗心墙深入其中4.2m左右。根据地质勘察得到的吕荣值可以换算出基岩的渗透系数,并按照渗透系数值划分为弱透水层和强透水层。堰下基岩上部一定范围内属弱透水层,渗流主要在该部分基岩内发生。基岩分布具有明显的三维特征。主要材料性质见表1。由于围堰属于临时性建筑物,同时考虑到工期要求,设计单位在初设时围堰下岩基不设置帷幕。渗流分析按岩基不设帷幕条件计算,取防渗墙嵌入基岩1.0m。2固耦合分析方案比选根据围堰及其防渗结构的平面图和围堰的轴线图可以看出围堰堰高是随水深变化的,基岩的空间分布具有很明显的三维特性,因此对初步选定的含心墙和不含心墙二个方案进行了三维流——固耦合分析。2.1材料参数的选取有限差分法计算深度取至基岩弱透水层一定深度,由于背水坡侧抽水后开挖约8m左右,故堰基取为12m,此时计算深度以至弱透水层一定深度,可视为不透水层;另外,堰肩两侧也各取一定深度(基岩深度取12m),以考虑在基岩内出现绕岩体的渗流情形,更远处的绕流将十分微弱,从而可视为不透水层。渗流分析采用六面体单元,图1给出了含防渗心墙围堰的三维渗流分析的有限差分网格,不含防渗心墙围堰的三维渗流分析的有限差分网格与此相同,只是在分析是将心墙材料改变一下即可。围堰的三维弹塑性有限差分分析选用Mohr-Coulomb屈服准则,渗流分析选用Darcy定律。耦合分析根据采用前述的基本原理进行分析。计算范围以围堰轴线为z轴,垂直地表方向为y轴,坐标原点选在S4处。考虑围堰主要用于挡水,为了节约计算,故在S2～S4方向水深<2.95m处的围堰没有被计算。因此S2～S4方向长取为245.07m到水深等于2.95m处;同理,由于S5～S6段水位比较浅,最深处2.95m,不会对围堰的稳定性造成危害,所以S5～S6段没有被列入计算范围。只考虑S5～S4段,长取为197.17m。围堰高度随低部基础的变化而变化。覆盖层也随地表高度的变化而变化,取其平均厚度为4m。以下均为风化层,取为8m。共18270个区域,16048个节点。浸润线的确定是通过透水地基上的均质土堤,由于受地基透水的影响,堤身浸润线降低。2.2渗流量结果分析图2和图3分别给出了围堰及堰基在开挖后最大水深处含心墙和不含心墙的孔隙水压力和塑性区图。图中孔隙水压力等于零处既是浸润线的位置。图2给出了堰体不含防渗心墙的塑性破坏区和孔隙水压力的变化关系,从图中可知堰体由于受渗流的影响,而致使堰体在背水坡坡脚处发生塑性破坏,加之开挖的影响,堰基处也发生了贯通是破坏,这样就和堰体的塑性破坏连在一起,导致堰体和堰基边坡共同形成正反向划弧破坏,可见,对堰体加防渗心墙是有必要的。从孔隙水堰压力看,由于堰基透水导致了浸润线下降,且压力分布具有明显的三维特性。与含防渗心墙相比如图3,堰体塑性区明显减少,在堰基处没有形成连通的破坏区,说明堰体基础加上心墙后,阻止了渗流的发生,塑性破坏区只发生在背水坡坡脚处,在背水坡坡侧没有形成划弧破坏,只要对坡脚稍加处理即可。在迎水坡侧由于渗流的作用,导致塑性破坏区明显增大,形成划弧破坏,因此,在堰体抽水开挖时,应加强背水坡脚和迎水坡坝体和堰基的加固,以防事故的发生。从孔隙水压力看,由于有防渗心墙,孔隙水压力明显提高,因此,出现水库的水从迎水坡处向堰体的开挖面发生渗流补给现象,使得浸润线明显提高。从计算的渗流量来看,在不设防渗墙条件下,围堰最大剖面单位流量为3.53e-3m2/s,在加设防渗墙条件下,围堰最大剖面单位流量为2.36e-3m2/s。二者相差较大,说明防渗墙对堰体及基础的渗流起到很大的作用。另外,二者均是在不设帷幕条件下计算得到的流量,但流量都不是很大,表明围堰可不设置帷幕。3渗流路径分析基于非均质各向异性的饱和-非饱和土的三维稳定渗流问题的基本控制方程,采用有限差分进行流———固耦合分析方法,对泰安抽水蓄能电站进出水口围堰防渗结构进行了三维流———固耦合分析。计算结果具有良好的规律性,从而表明这一方法特别适用于分析形状复杂、结构分区多且各分区渗透性差异较大的大型土石坝渗流分析。对泰安抽水蓄能电站进出水口围堰防渗结构进行了防渗和不防渗两种形式的三维流———固耦合分析,结果表明,该围堰和堰基有必要设置防渗心墙。由于围堰是由沙砾石堆积而成。渗透性比较强,结构强度低,故应在背水坡坡脚处加设滤层或设置加固棱体。在迎水坡侧堰体和堰基出现反向划弧破坏,应在堰体和堰基中采用砂浆或混凝土封堵,以确保工程的安全。开挖对围堰的安全影响不大,主要是因为堰基位于地表,起主要破坏作用的还是渗流,从塑性破坏区上就可明显看到,加设心墙后,浸润线明显升高,在迎水坡侧塑性区较不加心墙时破坏更为严重;在背水坡侧塑性破坏区面积明显减少且没有形成连通的划