賈 超，周曉勇，李 輝，虞未江

工程管理

數(shù)值分析在防滲帷幕時(shí)效性分析中的應(yīng)用

賈 超，周曉勇，李 輝，虞未江

（山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，濟(jì)南250000）

利用數(shù)值分析的方法確定出帷幕的滲透系數(shù)與滲漏量的關(guān)系，進(jìn)而對(duì)帷幕的防滲效果進(jìn)行分析。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)得到當(dāng)前防滲帷幕的透水率，并對(duì)其防滲效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，將現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果一致，因此該數(shù)值分析方法可以用于對(duì)研究區(qū)內(nèi)防滲帷幕時(shí)效性評(píng)價(jià)。

防滲帷幕；時(shí)效分析；壓水試驗(yàn)

1 工程概況

泰山抽水蓄能電站上水庫(kù)位于山東省泰安市櫻桃園溝內(nèi)，上水庫(kù)庫(kù)盆防滲采用鋼筋混凝土面板與庫(kù)底高密度聚乙烯土工膜及垂直防滲帷幕相結(jié)合的綜合防滲方案。其中垂直防滲帷幕布置在土工膜水平防滲的左側(cè)區(qū)，左壩頭設(shè)置一帷幕灌漿廊道，帷幕灌漿廊道位于左壩頭管理處營(yíng)地后邊坡山體內(nèi)，洞向N4°30'E，洞長(zhǎng)72.78m，左壩頭至帷幕洞長(zhǎng)87.22m，帷幕灌漿區(qū)域長(zhǎng)160.00m。

2 左壩肩防滲帷幕數(shù)值分析

為評(píng)價(jià)左壩肩防滲帷幕的時(shí)效性，首先利用有限元計(jì)算軟件建立水庫(kù)及帷幕三維滲流模型，進(jìn)行滲流分析計(jì)算。根據(jù)防滲帷幕不同工作狀態(tài)下其滲透系數(shù)不同而設(shè)定多種工況，通過(guò)計(jì)算各工況下浸潤(rùn)線位置確定浸潤(rùn)線分布和滲漏量，得到滲透系數(shù)與滲漏量的關(guān)系曲線，進(jìn)而分析評(píng)價(jià)帷幕防滲效果。

2.1 幾何模型的建立及網(wǎng)格劃分

根據(jù)泰山抽水蓄能電站上庫(kù)庫(kù)區(qū)地質(zhì)探測(cè)資料，將上水庫(kù)左壩肩山體采用土石壩模型進(jìn)行概化，根據(jù)左壩肩處地形條件建立三維實(shí)體模型如圖1。

圖1 水庫(kù)左壩肩段三維實(shí)體模型

考慮地質(zhì)鉆孔深度，庫(kù)底上、下均取帷幕深度的1.5倍作為上、下邊界，滿足滲流模型建立及計(jì)算要求。模型網(wǎng)格選取solid brick 8node70映射剖分的方式進(jìn)行劃分，庫(kù)岸山體及地基部分網(wǎng)格尺寸選取10m，防滲帷幕部分網(wǎng)格尺寸選取2～3m，網(wǎng)格劃分滿足精度要求，劃分網(wǎng)格后的模型如圖2。

圖2 上水庫(kù)左壩肩三維模型網(wǎng)格劃分

3.2 邊界條件及參數(shù)確定

根據(jù)設(shè)計(jì)資料正常蓄水情況下壓力水頭24m，因此上游水頭為第1類(lèi)邊界條件H=24m，模型左邊界及庫(kù)岸山體頂部為不透水邊界是第2類(lèi)邊界條件的特殊情況q=0，右邊界為溢出邊界即H=y，下邊界邊界條件設(shè)置為H=0?？辈熨Y料可知，山體滲透系數(shù)K1= 2×10-2m/d，壩基滲透系數(shù)K2=1×10-3m/d。采用改變帷幕滲透系數(shù)的方法模擬帷幕在不同工作狀態(tài)時(shí)的滲流狀況，設(shè)定帷幕滲透系數(shù)K3分別為1×10-5，5×10-5，1× 10-4，5×10-4，1×10-3，5×10-3，1×10-2，2×10-2m/d等8工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

3.3 計(jì)算結(jié)果與分析

對(duì)于帷幕滲透系數(shù)為1×10-5m/d的第1種工況，計(jì)算可得模型的滲流浸潤(rùn)線分布云圖如圖3。

圖3 K3=1×10-5m/d時(shí)浸潤(rùn)線分布云圖

從圖中可以看出通過(guò)灌漿帷幕的浸潤(rùn)線是一條不光滑的曲線，浸潤(rùn)線以上壓力水頭為0m，浸潤(rùn)線往下壓力水頭逐漸增大，壓力水頭的最大值22.86m。通過(guò)灌漿帷幕后，由于帷幕的滲透系數(shù)小于巖體的滲透系數(shù)，滲流浸潤(rùn)線在帷幕前后出現(xiàn)明顯的落差，說(shuō)明工作狀態(tài)良好，灌漿帷幕具有很好的阻水效果。通過(guò)計(jì)算同時(shí)可以得到的總水頭分布云圖如圖4。

圖4 總水頭分布云圖

由圖4可知，水頭在帷幕前后的變化情況。灌漿帷幕上游面水頭為401m，經(jīng)過(guò)帷幕之后變?yōu)?83m，水頭損失18m，已知庫(kù)底最大壓力水頭24m，因此經(jīng)過(guò)帷幕之后將損失75%的水頭。距離水庫(kù)越遠(yuǎn)，水頭越低，隨著深度增加，總水頭也越來(lái)越小。因此在帷幕工作狀態(tài)良好的情況下，防滲帷幕截?cái)嗔松舷掠蔚臐B流通道，地下水的滲流被大大削弱，防滲帷幕承擔(dān)了主要水頭差。

帷幕滲透系數(shù)K3取1×10-4，5×10-4，1×10-3，5×10-3，1× 10-2，2×10-2m/d時(shí)，隨著帷幕滲透系數(shù)的減小，可得到帷幕在不同工作狀態(tài)下上庫(kù)左壩肩的滲流浸潤(rùn)線的形態(tài)，限于篇幅部分云圖如圖5～圖8。

圖5 K3=1×10-5m/d時(shí)浸潤(rùn)線分布云圖

圖6 K3=5×10-4m/d時(shí)浸潤(rùn)線分布云圖

圖7 K3=1×10-3m/d時(shí)浸潤(rùn)線分布云圖

圖8 K3=2×10-2m/d時(shí)浸潤(rùn)線分布云圖

可以看出，當(dāng)防滲帷幕處于不同的防滲等級(jí)時(shí)，模型中的浸潤(rùn)線分布形態(tài)差異明顯，隨著帷幕滲透系數(shù)的增大，浸潤(rùn)線越來(lái)越光滑，滲漏量逐漸增大，帷幕阻水效果越來(lái)越差，不同帷幕滲透系數(shù)下計(jì)算的滲漏量如表1。

表1 帷幕不同滲透系數(shù)下的滲漏量單位：m/d

續(xù)表1

根據(jù)帷幕不同滲透系數(shù)下的滲流量表可得Q~ K3關(guān)系曲線分布圖如圖9。

圖9 Q~K3曲線分布圖

從圖9可以看出，隨著帷幕滲透系數(shù)的增大，滲漏量逐漸增加，滲流量與其滲透系數(shù)存在正相關(guān)，結(jié)合勘察資料可知當(dāng)前研究區(qū)的滲透系數(shù)在5×10-5～1× 10-4m/d之間，結(jié)合數(shù)值分析Q~K3曲線圖得出滲漏量10L/s?？梢钥闯龇罎B帷幕防滲效果有一定衰減并產(chǎn)生滲漏，但防滲效果依然明顯。

4 現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)

為確定上庫(kù)左岸灌漿帷幕當(dāng)下的透水率，并驗(yàn)證數(shù)值分析的結(jié)果，本研究在左壩頭原有灌漿帷幕線上鉆取3個(gè)試驗(yàn)孔進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)。試驗(yàn)采用單點(diǎn)法進(jìn)行，每6m進(jìn)行一段壓水，每段試驗(yàn)記錄4組數(shù)據(jù)，試驗(yàn)為2015年9月8日、9月9日兩天，取其試驗(yàn)結(jié)果平均值作為本試段的透水率。試驗(yàn)成果如表2。

表2 1#孔壓水部分試驗(yàn)段成果

續(xù)表2

從試驗(yàn)可以看出試驗(yàn)孔的不同高程段透水率不同，但整體相差不大，整體透水率在2~3Lu之間。帷幕灌漿的防滲標(biāo)準(zhǔn)為透水率小于等于1Lu，從現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)來(lái)看隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，已不滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。目前防滲帷幕有一定程度的破損，防滲性能存在衰減，但衰減程度并不嚴(yán)重。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)泰山抽水蓄能電站的左壩肩防滲帷幕數(shù)值模擬，求得不同滲透系數(shù)下的滲漏量，根據(jù)實(shí)測(cè)資料確定出當(dāng)前防滲帷幕的滲漏情況，分析可知防滲帷幕經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行存在一定程度的破損，滲漏量有所增加。

（2）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)帷幕的防滲性能已有所衰減，與數(shù)值分析結(jié)果相對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者較為吻合，說(shuō)明利用數(shù)值模擬對(duì)防滲帷幕的時(shí)效性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，具有一定的可靠性。

［1］夏可風(fēng).水庫(kù)大壩帷幕防滲能力衰減問(wèn)題之我見(jiàn)［J］.水利水電科技進(jìn)展，2011，31（4）：73-76.

［2］李茂芳，孫釗.大壩基礎(chǔ)灌漿（第二版）［M］.北京：水利電力出版社，1987.

［3］李金玉，曹建國(guó)，林莉，等.水工混凝土耐久性研究的新進(jìn)展［J］.水力發(fā)電，2001（4）：44-47.

［4］郭玉花.國(guó)外對(duì)水泥灌漿耐久性問(wèn)題的研究［J］.大壩與安全，1988（S1）：66-71.

［5］施華堂，徐年豐，李洪斌.丹江口大壩加高初期工程帷幕檢測(cè)及耐久性研究［J］.人民長(zhǎng)江，2009（23）：65-67，84.

［6］劉斌云.水泥灌漿帷幕的耐久性分析［J］.水利水電技術(shù)，1998（6）：34-37.

［7］S Catinaud，JJ Beaudoin J Marchand.Influence of limestone addi-tion on calcium leaching mechanisms in cement basedmaterials［J］.Cement and Concrete Research，2000（20）：1961-1968.

［8］王歇成，邵敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1997.

［9］吳夢(mèng)喜，高蓮士.飽和—非飽和土體非穩(wěn)定滲流數(shù)值分析［J］.水利學(xué)報(bào)，1999（12）：38-42.

［10］朱軍，劉光廷，陸述遠(yuǎn).飽和非飽和三維多孔介質(zhì)非穩(wěn)定滲流分析［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2001（3）：5-8.

［11］龔署光.ANSYS工程應(yīng)用實(shí)例解析（第一版）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［12］Chen Shenghong.Adaptive FEM Analysis for Twodimension Unconfined Seepage Problems.Journal of Hydrodynamics，Ser.B，1（1996）：60-66.

［13］Bathe，K.J.and Khosshgoftaar，M.R.，F(xiàn)inite element free seepage analysis without meshiteration，Intern J.For Numerical Methods in Geomechanics，Vo1.3，1979.

［14］中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).水電水利工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2005.

［15］水利部，能源部.水電水利工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程［M］.北京：水利水電出版社，2003.

The numerical analysis application in the research on Curtain Grouting

JIA Chao，ZHOU Xiao-yong，LI Hui，YU Wei-jiang
（School of Civil Engineering，Shandong University，Jinan 250000，China）

A numerical analysis method is proposed and used to determine the relationship between Permeability coefficient and leakage of the curtain.Through the field water pressure test，the seepage rate of the current waterproof curtain is obtained，and the seepage prevention effect is evaluated.The field test results compared with the results of numerical analysis，it is found that the numerical results are consistent with the field test results，so the numerical analysis method can be used for the evaluation of the timeliness of the impervious curtain in the study area.

curtain grounting；time dependent analysis；water pressure test

TV512

B

1672-9900（2016）04-0074-04

2016-07-05

賈超（1976-），男（漢族），教授，主要從事水利工程、巖土工程及工程地質(zhì)方面的研究工作，（Tel）15562491089。