围堰工程中的围堰稳定性分析

围堰工程中的围堰稳定性分析

1防渗墙设计分析悬索墙主要依靠延长渗径并改变渗流出口的流动状态来实现渗透效果。由于投资少、施工快、有利于在一段时间内完成施工，因此在大坝和水库等项目的建设中受到了广泛应用。1997年在四川省狮子坪水电站完成了我国至今最深的混凝土防渗墙施工,该墙段最大深度101.8m,厚1.2m,标志着我国防渗墙施工跨跃百米。目前,由于悬挂式防渗墙没有达到截渗的目的,墙后出口处的渗透坡降仍然很大,投资方总认为悬挂式防渗墙深度可以尽可能小,甚至取消,因此防渗墙往往难以兼顾经济性和满足工程的安全性来选择合理的深度。在这样的背景下,研究防渗墙的深度对渗流和边坡整体稳定的影响,对防渗墙深度的选取和优化设计将产生深远的影响。本文以某水电站上游围堰为例,用有限元法计算了堰体采用土工布复合体设计方案,堰基下不同防渗墙深度时围堰关键部位水力坡降和通过围堰不同截面的流量,定量分析评价了上述各个指标对防渗墙深度的敏感性。某电站坝址位于四川省阿坝州马尔康县、金川县境内的大渡河上游足木足河与绰斯甲河汇合口以下约2km处,控制流域面积39000km2,多年平均流量527m3/s。水库正常蓄水位2500m,电站装机容量2000MW,单独运行年发电量81.28亿kWh。枢纽建筑物主要由土工布复合体堆石坝、泄洪洞、地下引水发电系统等组成。本工程采用围堰挡水、隧洞泄流、大坝基坑全年施工的导流方式,初期导流设计标准为50年一遇,设计流量4840m3/s。导流泄水建筑物为布置在左岸的1#导流洞、3#导流洞及布置在右岸的2#导流洞;上、下游围堰均采用土石围堰,并与砾石土心墙堆石坝坝体结合。上游围堰按50年一遇洪水重现期设计,设计流量4840m3/s,最大堰高56m,堰顶宽度10m。堰体防渗拟采用土工布复合体,堰基防渗采用混凝土防渗墙,防渗墙顶高程2259.0m,防渗墙最大深度为65m。堰体上、下游坡比分别为1:2.5、1:1.75。上游围堰位于可尔因沟口下游侧,此处大渡河河流偏左岸,左岸基岩裸露,谷坡陡峻达40°~55°,右岸分布Ⅰ级冲洪积阶地,岸坡坡度35°~55°,两岸出露基岩为燕山期似斑状黑云母钾长花岗岩,岩石致密坚硬。2防渗墙深度及宽度分析根据设计方案,需计算围堰堰体采用土工布复合体防渗,堰基采用砼防渗墙的工况,防渗墙的深度变化引起的围堰关键部位水力坡降、通过围堰不同截面处的流量及围堰整体稳定性变化,藉此来分析评价选定防渗墙的深度和宽度。2.1覆盖层基岩排水计算时取顺河流方向为X轴正方向,竖直向上为Y轴方向,建立二维坐标系,原点取围堰上游坡脚处。为了计算精确,从覆盖层竖直向下将基岩取40米;从原点处向上游取200米;从排水棱体下游坡脚处向下游取270米。计算中所涉及的材料参数一共有12种,分别为复合体、堆石料1、堆石料2、过渡料、反滤料、下戗堤材料、排水棱体、覆盖层1、覆盖层2、覆盖层3、砼防渗墙、基底岩体,材料分布见图1,材料参数见表1,图1中各单元剖分为四边形四节点单元。2.2“复合式”单元划分土工布的厚度相比堰体的尺寸很小,若对其进行单元划分,将导致当前计算机无法承受的计算量,同时由于各单元矩阵的主元相差很大,也容易导致有限元解的不稳定。因此,计算中将20cm厚的喷射混凝土层、0.3cm厚土工布及20cm厚的砂卵石垫层料当作一个50cm厚的“复合体”来处理,对“复合体”进行单元划分,这样可以大大减小单元的数量且不影响计算的精度。对于“复合体”的渗透系数按照土力学中有关成层土竖直方向的渗透系数的计算公式进行求取。3坝和坝基渗流场特征3.1抗渗墙性能分析该工况主要研究土工布复合体联合不同深度混凝土防渗墙时的渗流场分布,重点关注背水面坡角附近、防渗墙中心、防渗墙下端部及其上端部与土工布复合体接合处的渗流特性参数和通过防渗墙的流量、堰体、堰基、及出溢到下游河床面上的流量变化规律。防渗墙厚度取为1.00m,上下游边界条件均为总水头边界,按50年一遇洪水位计算。为此对该工况拟定三个有代表性的研究方案,方案如下:方案一:采用土工布复合体联合55m深悬挂式混凝土防渗墙;方案二:采用土工布复合体联合60m深悬挂式混凝土防渗墙;方案三:采用土工布复合体联合65m深全封闭式混凝土防渗墙。3.2渗透结果表明3.2.1防渗墙断面流量选取防渗墙深度为65m时(图2)的4个截面为例,其它各方案的截面选取与此相同。图2中的截面流量均为单宽流量,A-A截面流量为通过堰基的流量,B-B截面流量为总流量,C-C截面流量为通过堰体的流量,D-D截面流量为通过防渗墙的流量。由图2可见,防渗墙深度为65m深时防渗墙已插入基岩,所以各截面的流量都非常小,数量级都在10-5~10-6m3/s;通过防渗墙的流量明显小于其它截面的流量;通过堰基的流量为总流量的66.33%。汇总各工况下各截面流量如表2。由图3可知各断面的流量随着防渗墙深度的增加变化规律基本相同,随着防渗墙深度的增加各流量在减小。防渗墙深度从55m增加到60m时通过各断面的流量变化很小,也就是说悬挂式防渗墙的防渗效果不好,并且随着防渗墙深度的增加各断面流量变化不大。在防渗墙从55m到60m的增加过程中,总流量即B-B截面的流量减小了9.75%,通过堰基的流量,即A-A截面的流量减小了9.13%;但在防渗墙深度从60m到65m变化时,通过各截面的流量减小幅度很大,A-A截面的流量减小为60m时的7.03%,B-B截面的流量减小为1.94%,这证明了全封闭式混凝土防渗墙的防渗效果优于悬挂式混凝土防渗墙。而防渗墙中的流量随着防渗墙深度的增加而增加,这是因为防渗墙深度的增加增大了渗流面积,并且增加了作用在防渗墙上的水力坡降,这可从表3中的防渗墙中的水力坡降看出。但在悬挂式防渗墙方案下随着防渗墙深度的增加,通过防渗墙的流量增长幅度很小,在防渗墙深度从55m变化到60m过程中,流量量级没有变化,只是在量上有很少的增加。通过防渗墙的流量增加了18.21%;一旦防渗墙刺入基岩,通过防渗墙的流量增长幅度将很大,防渗墙从60m到65m变化的过程中,通过防渗墙的流量增加了137.86%,流量基数的量级很小。3.2.2防渗墙深度的影响如表3所示,随着防渗墙深度的增加,排水棱体下游坡脚处的水力坡降降低,降低的速率由小及大,在防渗墙深度为60m~65m时降低速率明显增加,说明封闭式防渗墙的防渗效果明显优于悬挂式防渗墙。但一味增加防渗墙深度是不可取的,因为随着防渗墙深度的增加,防渗墙上的水力坡降也在增加,这不但增加了防渗墙自身水力击穿的可能性,还增加了防渗墙上、下端部发生接触流土的可能性。总之,从控制渗流量和下游坡脚处的最大水力坡降来讲,封闭式砼防渗墙的防渗效果要比悬挂式防渗墙防渗效果好,但若考虑到防渗墙自身的稳定,防渗墙深度不宜过大,需针对不同工程问题具体分析。4边界条件和地震烈度对稳定性的影响2008年5月12日四川汶川8.0级地震,震源在龙门山断裂带中的映秀—北川断裂带。本次地震对都江堰市区11公里的岷江干流上的紫坪埔水库的烈度为8度,对岷江支流杂脑河上正在修建狮子坪心墙土石坝烈度也为7~8度。双江口坝址距震中的距离远比这两个坝址的距离远,地震烈度应不超过7~8度。在地震稳定性分析中,为了安全,计算了地震烈度分别为7度和8度的背水面坡的边坡稳定。利用Geo-slope中的slope/w和seep/w耦合分析边坡稳定,应用拟静力法计算。根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2001,7度和8度地震烈度对应的地震加速度系数分别为0.1和0.2。各工况下地震响应下边坡的安全系数如表4,计算中采用Bishop法,只考虑水平向的地震惯性力。图5(a)是在7度烈度下防渗墙深55m时背水面边坡的安全系数和最危险滑动面,安全系数只有1.192,虽然勉强可以满足安全需要,但安全储备不足。尽管这个滑坡只发生在排水棱体上,但是它的最大厚度有3.23m在右,单宽滑坡量为76.09m3左右,如果整个坝长上都发生滑坡,那么滑坡方量是相当大的,所以可以确定这个滑坡面为危险滑坡面。图5(b)是在8度地震烈度情况下,背水面的最危险滑动面和安全系数,背水面边坡的最危险滑动面形状没有改变,安全系数从7度烈度的1.192下降到8度烈度时的0.994。图5(c)是在7度地震烈度下防渗墙深60m时背水面边坡的最危险滑动面和安全系数,单宽滑坡方量较防渗墙深55m深时小,安全系数也有微小降低。图5(d)是地震烈度为8度,防渗墙深度为60m时背水面边坡的最危险滑动面和安全系数,滑坡方量与本方案下7度地震烈度相比没有变化。与防渗墙深为55m时,地震烈度为8度相比安全系数没有变化。造成这种情况的原因是悬挂式防渗墙的防渗效果对防渗墙深度不敏感,从方案一到方案二浸润线没有明显的改变,这与参考文献得到的结论一致。图5(e)是地震烈度为7度,防渗墙深度为65m时背水面边坡的最危险滑动面,滑坡方量和方案二相比有所下降,安全系数有明显的增大。图5(f)是地震烈度为8度,防渗墙深度为65m时背水面边坡的最危险滑动面及安全系数。安全系数和方案二相比有明显的增大,并且滑坡方量也有一定增大。这是由于全封闭式防渗墙比悬挂式防渗墙的防渗效果好,从方案二到方案三时浸润线明显降低,坡脚处的孔隙水压力下降,有效应力增加,抗剪强度增加而引起的。总结以上分析,可以得出这一结论,在悬挂式防渗墙时,背水面边坡的安全系数随防渗墙深度的增加变化不明显,但滑坡方量有一定量的减小;背水面边坡的安全系数在全封闭式防渗墙时安全系数较悬挂式防渗墙大,滑坡方量和悬挂式防渗墙相比有一定的变化;不管防渗墙深度处于哪个深度,地震烈度从7度变化到8度时,背水面边坡的安全系数都减小,且减小幅度差不多相同,在0.19-0.2之间。变化趋势如图6。5防渗墙深度在悬挂式防渗墙深度的随(1)围堰背水面坡脚处的最大水力坡降随着防渗墙深度的增加而减小,防渗墙深度在悬挂式防渗墙的范围内变化时,背水面坡脚处的最大水力坡降减小幅度很小,只有10%左右;封闭式防渗墙背水面坡脚处的水力坡降最大值大幅度的减小,证明封闭式防渗墙的防渗效果好。(2)防渗墙中心和上下端部的水力坡降随着防渗墙深度的增加都在增加,防渗墙深度在悬挂式防渗墙范围内变化时,增加幅度很小,一旦防渗墙刺入基岩,防渗墙中的水力坡降有很大幅度的增加,增加幅度最大的是防渗墙下端部水力坡降,本工程中增加了4.58倍。此时防渗墙上端部的水力坡降可达到58.207,增加了渗透破坏的可能性。(3)各断面的流量随防渗墙深度增加的变化规律和其对应位置的水力坡降变化规律相同,在封闭式防渗墙时发生急骤变化,总流量减小为60m深防渗墙时的1.9