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粘土心墙-混凝土防渗墙土石坝渗流的稳定分析

2024-10-17 133 上传者：管理员

摘要：采用COMSOL Multiphysics软件建立土石坝三维有限元计算模型，分别模拟混凝土防渗墙防渗和粘土心墙-混凝土防渗墙联合防渗方案，对比分析两方案坝体的渗流稳定；并运用强度折减法，计算粘土心墙-混凝土防渗墙土石坝的坝坡危险滑裂面位置和安全系数。结果表明，两种方案防渗墙均能有效降低水头，减小坝体各处的渗流比降，对坝体能起到有效防渗作用。粘土心墙-混凝土防渗墙土石坝在各计算工况下坝坡稳定性满足要求。计算成果对设计有指导意义。

关键词：
安全系数
有限元计算
渗流比降
渗流稳定
粘土心墙
防渗墙
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上下游水位差和坝体材料特性导致土石坝内部易发生渗流[1],土石坝的渗流不仅会造成水量损失和渗透变形[2],而且渗流的发展使浸润面以下的土体饱和，抗剪强度指标下降，水体对地基施加向上的浮托力，使得坝体抵抗滑动的有效重量减小，容易产生滑动失稳等事故[3- 7]。例如郑州“7·20”特大暴雨期间，受持续强降雨影响，新密五星水库发生库堤滑坡[8],威胁到下游人民生命财产安全。

为解决土石坝渗流稳定问题，在数值模拟方面，众多学者开展了长期、大量研究，形成了较为完善的研究体系[2]。其中，有限元法将孔隙水压力转换为等效体积力，用于求解土体内部应力场和位移场，具有较高计算精度，因而被广泛沿用。

本文以某水利水电枢纽工程土石坝供水取水口粘土心墙-混凝土防渗墙土石坝为研究对象，采用有限元软件COMSOL Multiphysics,对比分析混凝土防渗墙防渗和粘土心墙-混凝土防渗墙联合防渗的两种布置型式下，坝体和坝基在设计洪水位与枯水位工况下的渗流稳定，评估防渗体系的有效性。在此基础上，计算粘土心墙-混凝土防渗墙土石坝的坝坡危险滑裂面位置和安全系数，为工程的安全稳定运行提供参考。

1、工程概况

湖北省碾盘山水利水电枢纽工程位于湖北省荆门市钟祥市，工程开发任务以发电、航运为主，兼顾灌溉、供水，为南水北调中线引江济汉工程良性运行创造条件。

本枢纽属Ⅱ等大(2)型工程，由左岸连接土坝、泄水闸、电站厂房、连接混凝土重力坝及船闸等组成。工程坝址控制流域面积14.03万km2,正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位均为50.72m,多年平均天然入库水量为491亿m3,平均流量为1550m3/s。

枢纽左岸副坝采用砂壤土回填，坝顶高程53.8m,顶宽10m,边坡1∶3,最大坝高6.8m,基础以下地层分别为壤土、粉砂、砂砾石以及泥质粉砂岩。坝轴线上设置了厚0.60m、入岩1.0m的塑性混凝土防渗墙。

供水取水口布置于枢纽左岸副坝0-580处，其建筑物分为进口段、闸室段及穿堤箱涵段，底板高程均为43.20m,出口接供水管网。防渗墙与穿堤箱涵底板采用柔性连接，侧墙对应设“凹”型刺墙与防渗墙相接。

2、数值模型及材料参数

依据地质勘察的原状土样室内试验结果，结合工程经验，列出各地质地层物理力学参数取值，见表1。取穿堤箱涵导流方向为x轴正方向，上游明渠导流逆方向为y轴正方向，竖直向上为z轴方向，生成三维坐标系，建立如图1所示的三维数值模型。

表1数值模型物理力学参数

图1坝体三维有限元计算模型

模型建立范围为：x轴方向自上游坡脚向上游取25m,自排水沟下游侧向下游取30m,计算区域全长130m;y轴方向计算区域以涵闸中心线向两侧各取50m;z轴方向从防渗墙底部竖直向下取20m基岩厚度为计算区域。

3、渗流分析

由于取水口穿堤箱涵段出现不均匀沉降，不利于工程的安全运行和效益的正常发挥，对穿堤箱涵段进行施工重建。如图2所示，原部分防渗墙被破坏挖除，防渗墙与穿堤箱涵连接处采用粘土回填防渗，组成粘土心墙-混凝土防渗墙体系。粘土心墙顶部高程53.00m,顶宽6m,两侧坡度为1∶0.2,放坡至箱涵底部。

为对比不同防渗措施对坝体渗流场分布的影响，分别计算了坝体采用混凝土防渗墙(方案一，原始方案)和采用粘土心墙与混凝土防渗墙组成的粘土心墙-混凝土防渗墙体系(方案二，重建方案)的防渗效果。参照SL274—2020《碾压式土石坝设计规范》[9],本工程正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位相同，均为50.72m,仅需对设计洪水位与枯水位(39.39m)工况下的坝体和坝基开展渗流稳定分析。

图2坝体防渗体系

3.1混凝土防渗墙

坝体的施工重建主要改变了涵闸中心线左右(沿y轴方向)各4.05m范围内的结构，这里着重研究涵闸中心线纵剖面的渗流场变化。如图3所示，通过渗流计算得到采用混凝土防渗墙的涵闸中心线断面上设计洪水位与枯水位工况的压力水头分布。图中压力水头取值为0的边界线即为坝体渗流浸润线。由图可知，浸润线在通过防渗墙时，下降幅度急剧增大，可见混凝土防渗墙对水头具有显著削减作用。

图3涵闸中心线断面压力水头分布云图(单位：m)

方案一涵闸中心线断面的渗流比降分布云图，如图4所示，设计洪水位与枯水位工况下的最大渗流比降分别为8.87和10.31,分别发生在穿堤箱涵的混凝土侧墙内部及防渗墙底部。

图4涵闸中心线断面渗流比降分布云图

结合图3—4可知，原始方案的混凝土防渗墙防渗效果较好，坝体不会发生渗流破坏。

3.2粘土心墙-混凝土防渗墙

图5为采用粘土心墙-混凝土防渗墙体系的涵闸中心线断面在设计洪水位与枯水位工况下的压力水头分布。如图5所示，浸润线通过粘土心墙后显著降低，但比原始方案混凝土防渗墙降幅小。又由于粘土心墙横向截面宽度更宽，有效延长了渗径，对水头也具有显著削减作用，防渗效果较好。

图5涵闸中心线断面压力水头分布(单位：m)

如图6所示，采用粘土心墙-混凝土防渗墙体系(重建方案)的坝体在设计洪水位与枯水位工况下最大渗流比降分别为8.27和10.98,二者分别位于穿堤箱涵的混凝土侧墙内部及防渗墙底部，与原始方案结果类似。

图6涵闸中心线断面渗流比降分布

经对比分析，重建的粘土心墙-混凝土防渗墙的单宽水头降幅不如混凝土防渗墙明显，但由于重建防渗体系的渗径远大于原始方案混凝土防渗墙的渗径，重建的防渗心墙体系对坝体的防渗效果较好，能够有效取代原始方案混凝土防渗墙在坝体中的防渗减压作用。下面进一步分析重建方案粘土心墙-混凝土防渗墙对坝体的稳定影响。

4、稳定分析

4.1有限元强度折减法

土石坝抗滑稳定分析中，强度折减法具有无需事先确定滑动面形状与位置等独特优势，在实际中被广泛应用[10]。其本质在于：计算中通过逐渐降低土体的c、φ值，折减后的参数不断代入模型进行重复计算，体现坝坡的安全富裕程度。由于土体剪切强度降低，导致土体单元中的应力无法与强度匹配，不能承受的应力将逐渐转移到周围单元中。当土体剪切强度降低到一定值，出现连续滑动面后，坝体发生失稳[11]。

折减后的抗剪强度参数可由式(1)表示

式中，c′—折减后土体虚拟的粘聚力；φ′—折减后土体虚拟的内摩擦角；F—强度折减系数，模型产生失稳的前一个F值即坝坡的安全系数Fs。

4.2坝体塑性区

通过在COMSOL软件中设置摩尔-库仑模型的材料参数，运用强度折减法，对粘土心墙-混凝土防渗墙体系下设计洪水位及枯水位工况开展稳定分析，计算坝体危险滑裂面位置并求解安全系数，结果如图7所示。

图7涵闸中心线断面坝坡危险滑裂面位置

由图7可知，在设计洪水位运行工况下，随着土体强度的不断折减，直至F达到2.12后，模型开始不收敛，表明坝体已失稳，坝体最危险滑裂面发生在坝体下游。下游坝坡范围内应力不再增加，开始出现连续塑性变形，求得下游坝坡安全系数Ks=2.12。查阅SL274—2020可知，2.12大于规定的最小安全系数，坝坡稳定性满足要求。

在外江枯水位运行工况时，土体强度折减后，坝体最危险滑裂面发生在坝体上游，其安全系数为2.03。经计算分析，不同工况下，坝体最危险滑裂面的安全系数Ks均大于规范要求的最小安全系数，满足抗滑稳定要求。

5、结论

基于有限元计算，对比分析混凝土防渗墙和粘土心墙-混凝土防渗墙作用下的渗流稳定，评估了两种防渗体系有效性，采用强度折减法，对粘土心墙-混凝土防渗墙土石坝开展抗滑稳定分析，得出：混凝土防渗墙与粘土心墙-混凝土防渗墙体系的设置，均能有效降低水头，减小坝体各处渗流比降，但相比于粘土心墙-混凝土防渗墙，混凝土防渗墙中水头降落更快；重建方案粘土心墙-混凝土防渗墙的单宽水头降幅不如混凝土防渗墙明显，但有效延长了渗径，对坝体防渗效果也较好；粘土心墙-混凝土防渗墙土石坝坝坡在各计算工况下稳定性满足要求。

参考文献:

[1]巩娜.壤土心墙坝运行期渗流安全分析[J].大坝与安全,2020(5):36- 39,50.

[2]孟明.亭口反调节水库土石坝渗流与稳定数值分析研究[D].西北农林科技大学,2016.

[3]林继镛,张社荣.水工建筑物[M].北京:中国水利水电出版社,2019.

[4]黄锦林,高志涵,张建伟,等.某土石坝坝坡稳定与防渗体影响分析[J].广东水利水电,2021(10):5- 10.

[5]谢道在,张海平.水位变化下潜在不稳定坡渗流场及稳定性分析[J].人民黄河,2012,34(10):129- 130,133.

[6]张钧锋,谢繁荣.陕北地区土坝防渗措施的探讨[J].陕西水利,2021(9):220- 221.

[7]常倩倩,黄松,高峰,等.平原水库塑性混凝土防渗墙应力与变形分析[J].水利规划与设计,2020(1):7.

[8]张士辰,李宏恩.近期我国土石坝溃决或出险事故及其启示[J].水利水运工程学报,2023(1):27- 33.

[9] SL 274—2020.碾压式土石坝设计规范[S].

[10]王武刚,姚智全,曹光栩.混凝土坝体防渗墙对坝坡稳定影响的有限元研究[J].建筑科学,2014,30(7):92- 97.

[11]贺林林,周莉,梁越.水位骤降影响下岸坡稳定性简化分析[J].水利水运工程学报,2021(3):16- 24.