戴明亮

(上海市政工程設(shè)計研究總院集團(tuán) 第六設(shè)計院有限公司，安徽 合肥 230601)

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滁州市明湖水庫大壩滲流穩(wěn)定分析

戴明亮

(上海市政工程設(shè)計研究總院集團(tuán) 第六設(shè)計院有限公司，安徽 合肥 230601)

為適應(yīng)滁州市經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展的需要，根據(jù)《滁州市城市總體規(guī)劃(2012～2030)》，擬在滁州市勝天河中游規(guī)劃新建明湖水庫，增大調(diào)蓄水面，提高防洪標(biāo)準(zhǔn)，打造皖東高端旅游休閑目的地。論述了滁州市明湖水庫大壩壩體設(shè)計，說明了大壩壩基所處地質(zhì)情況，并對大壩滲流穩(wěn)定進(jìn)行了計算分析。

水庫大壩;滲流;穩(wěn)定

擬建明湖水庫樞紐工程等別為Ⅲ等,主要建筑物級別為3級,次要建筑物級別為4級。防洪標(biāo)準(zhǔn)采用50年一遇設(shè)計,300年一遇校核。明湖設(shè)計正常蓄水位14.0 m,50年一遇設(shè)計洪水位14.6 m。設(shè)計壩頂寬10 m,壩頂高程16.5 m,兩側(cè)坡比1∶3,中間設(shè)一道4 m寬平臺(兼做園路),平臺高程14.3 m。壩軸線現(xiàn)狀地面高程約8.5～9.0 m。

明湖水庫大壩擬建場地位于低緩崗地和圩畈區(qū),地形相對較平緩,當(dāng)?shù)刂握承酝亮县S富,因此,擬建的大壩采用均質(zhì)土壩,最大壩高8 m,為低壩[1],壩體對地基變形適應(yīng)性較強(qiáng),壩基基面條件可適當(dāng)放寬,建議壩基基面選用② 2層、④ 層粉質(zhì)黏土。

根據(jù)地質(zhì)勘探資料,壩基表層基本為30～100 cm厚的耕植土,筑壩前該層土應(yīng)予以清除,表層耕植土以下部分段存在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土軟基,需通過滲透穩(wěn)定計算[2-4]確定是否需要進(jìn)行處理。

1 計算安全控制標(biāo)準(zhǔn)

壩身填土為調(diào)蓄區(qū)淹沒范圍內(nèi)取土,以黏土、壤土為主,壩基土以粉質(zhì)黏土為主,局部有淤泥質(zhì)粉土。根據(jù)文獻(xiàn)[5]計算和工程地質(zhì)勘察報告,壩基土和壩身土的允許坡降見表1所列。

表1 壩基及壩身填土的滲透臨界坡降計算值及允許值

2 計算工況及計算斷面

計算工況在穩(wěn)定滲流期分正常運(yùn)用和非正常運(yùn)用兩種情況組合,同時壩下水位參與組合,并取不利工況,計算下游出逸坡降。根據(jù)地質(zhì)勘探報告,計算選取比較有代表性斷面進(jìn)行概化計算,詳見表2所列。

表2 滲流計算工況、計算斷面統(tǒng)計表

3 土層滲透試驗成果

根據(jù)地勘資料,各土層滲透系數(shù)試驗成果見表3所列。

表3 各土層滲透試驗成果表

4 計算方法及計算理論

本次大壩滲透穩(wěn)定計算采用河海大學(xué)編制的“AutoBANK”軟件進(jìn)行計算,該程序采用有限元方法[6-7]求解二維滲流控制方程,目前國內(nèi)普遍使用,具有較高的精度和較好的適用性,得到了國內(nèi)外專家的一致認(rèn)可。計算采用二維有限元方法并繪制流網(wǎng)[8-9],進(jìn)而計算滲流坡降。

對于穩(wěn)定滲流,符合達(dá)西定律的非均各向異性二維滲流場,水頭勢函數(shù)滿足微分方程:

(1)

其中,φ=φ(x,y)為待求水頭勢函數(shù);x,y為平面坐標(biāo);kx,ky為x,y軸方向的滲透系數(shù)。

水頭φ還必須滿足一定的邊界條件,經(jīng)常出現(xiàn)以下幾種邊界條件:

(1) 在上游邊界上水頭已知:φ=φn

(2) 在逸出邊界水頭和位置高程相等:φ=z

(3) 在某邊界上滲流量q已知:

(2)

其中l(wèi)x,ly為邊界表面向外法線在x,y方向的余弦。

將滲流場用有限元離散,假定單元滲流場的水頭函數(shù)勢φ為多項式,由微分方程及邊界條件確定問題的變分形式,可導(dǎo)得出線性方程組:

(3)

其中,[H]為滲透矩陣;{φ}為滲流場水頭;{F}為節(jié)點滲流量。

求解以上方程組可以得到節(jié)點水頭,據(jù)此求得單元的水力坡降、流速等物理量。求解滲流場的關(guān)鍵是確定浸潤線位置,Autobank采用節(jié)點流量平衡法通過迭代計算自動確定浸潤線位置和滲流量。

5 計算成果

選取上述斷面、工況及相關(guān)參數(shù),計算成果可見表4所列及圖1～4所示。大壩為不透水地基上的均質(zhì)壩。根據(jù)計算結(jié)果,三個斷面、四種工況滲透出逸坡降均較小,在允許坡降范圍內(nèi)[10],從理論分析而言[11],大壩滲流是安全的[12-13]。

表4 滲流計算成果表

圖1 0 km+340 m斷面校核洪水工況滲流計算等值線圖

圖2 0 km+340 m斷面水位降落工況滲流計算等值線圖

圖3 1 km+650 m斷面校核洪水工況滲流計算等值線圖

圖4 1 km+650 m斷面水位降落工況滲流計算等值線圖

[1] SL 274-2001, 碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范[S]．

[2] 丁樹云，蔡正銀．土石壩滲流研究綜述[J]．人民長江，2008， 39(2)：33～36．

[3] 姜 帆．土石壩滲流研究發(fā)展綜述[J]．水利與建筑工程學(xué)報， 2006,4(4)：94～97．

[4] 覃紅玲．土石壩的流固耦合滲流研究綜述[J]．科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2015(34)：26～27．

[5] GB 50487-2008，水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

[6] 馮耀奇．土石壩滲流計算模型的建立及工程應(yīng)用[J]．大壩與安全，2006(6)：153～157．

[7] 溫岷峰．土壩滲流的有限元分析[J]．湖北水力發(fā)電，2008(4)：116～119．

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[9] 張乾飛．土石壩滲流確定分析模型研究[J]．武漢大學(xué)學(xué)報， 2000， 33(4)：5～9．

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[11] 劉杰著．土石壩滲流破壞的原因及控制措施[J]．水利水電技術(shù)，1979(3)：84～86．

[12] 劉杰著．土石壩裂縫的防止與滲流控制[J]．水利水電技術(shù)，1991(3)：94～97．

[13] 馮耀奇．土石壩滲流及防滲技術(shù)措施研究[J]．地下水，2006， 28(2)：70～72．

2016-04-06；修改日期：2016-05-13

戴明亮(1983-)，男，安徽安慶人，上海市政工程設(shè)計研究總院集團(tuán)第六設(shè)計院有限公司工程師．

TV641.22;TV139.14

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1673-5781(2016)03-0346-03