杨 富
(黔西南州册亨县水务局,贵州 册亨 552200)
面板堆石坝由于具有稳定性好、承受水压力的性能强、坝体透水性和节约投资等优点而被广泛应用,其由堆石体作为支承结构,混凝土面板作为防渗结构。其中,高坝的高度往往在70m以上,且建造环境较为复杂,因此施工难度大、周期长,难以用常规的堆石坝建造经验进行指导。此外,面板堆石坝一般修建于峡谷地带,建造时一般采用围堰截流的方法进行度汛。在建造初期,面板堆石坝可以按照导流设计进行度汛,而建造完毕后,则按照临时洪水标准度汛[1-2]。在挡水度汛期间,为了保证面板堆石坝的性能,需要对其上游坝坡进行保护,而面板堆石坝的挡水度汛稳定性,同样影响整个堆石坝的安全。面板堆石坝的挡水度汛稳定性不仅受限于工程形式和布置,还与径流量、洪水峰量等水文特征息息相关。尤其对于面板堆石坝围堰,其施工期往往包含多个度汛期,故在建造时需要充分考虑坝体的度汛渗透稳定性,以确保面板堆石坝能安全运行。
因此,为了分析面板堆石坝的度汛渗透稳定性,本文以册亨水库工程为例,通过数值分析法,对不同工况下的面板堆石坝施工期度汛渗透稳定性进行分析。
1.1 工程概况
册亨水库工程位于贵州省黔西南州册亨县境内,由水源工程、供水灌溉工程等组成,其中水源工程位于册亨县城上游约9km的北盘江一级支流者楼河中游河段。册亨水库供水、灌溉对象为者楼镇和岩架镇的水库下游、者楼河两岸范围。册亨县高洛新区供水工程位于者楼街道办东风村浪沙组册亨水库供水灌溉工程隧洞出口南侧约 260m 处,被列为册亨县2020年重点建设工程。
册亨县高洛新区供水工程位于贵州省黔西南州册亨县境内,建设规模为1.0×104m3/d。册亨县高洛新区供水工程的主要建设内容为:新建净水厂1座,包括絮凝沉淀池、V型滤池+反冲洗房、清水池、加药消毒间、综合楼等及其他配套设施建设。其中,净水厂位于册亨水库输水隧洞南侧约260m处(现状为葛洲坝一公司施工营地)新建水厂。给水厂设计占地面积为0.585 3hm2(征地红线范围),本工程水厂设计地面高程为557.30～562.30m,清水池池底设计高程555.30m。净水厂厂区现状所处地形高程547.60～575.00m,整体高差不大,厂区占地面积0.516hm2,给水厂设计地面高程557.30m～562.30,清水池池底设计高程555.30m。
根据现场实际情况,开挖边坡为土质边坡,坡率采用1∶1.5。如遇高边坡,在边坡高8m处设置一级马道,马道宽1.5m,开挖后采用C25钢筋砼草皮护坡。水库的校核洪水位738.41m,设计洪水位和正常蓄水位均为736m。正常蓄水位时,水库面积0.685km2;死水位701m,死库容234.8×104m3,兴利库容1 431.4×104m3。混凝土面板堆石坝坝顶高程739.3m,最大坝高75.7m,顶部长211.8m。
1.2 面板堆石坝计算模型构建
面板堆石坝以堆石体为支承结构,在其上游表面浇筑混凝土面板作为防渗结构的堆石坝,具有坝坡的稳定性好、承受水压力的性能强、坝体透水性和抗震性好、施工导流与度汛方便等优点。但面板堆石坝的工程量巨大,施工环境较为复杂,导致施工周期往往横跨多个度汛期,对坝体的稳定性提出更高的要求[3-4]。因此,为了探究面板堆石坝不同工况下的度汛渗透稳定性,研究建立面板堆石坝计算模型。
为了方便计算,以河流横截面为X轴,左岸为正向;以河流流向为Z轴,下游为正向;以垂直方向为Y轴,垂直向上为正;以大坝轴线与河床中线交点的零标高处为原点。整个模型的计算边界为上下游坝脚各自向上下游延伸1倍坝高;垂直方向向上至坝顶,向下至不透水层以下100m处;右岸范围为距坝肩350m处,敏感性分析帷幕长度300m;左岸考虑到存在地下厂房的问题,其帷幕距坝肩440m[5-7]。
在面板堆石坝的度汛渗流分析中,使用材料种类丰富,共涉及19种材料,具体包括:混凝土面板、垫层、垫层趾板、主堆石、次堆石1/2、过渡层、坝基防渗帷幕、坝顶材料、河床岩组、基岩等。由于材料种类过多,导致计算难度较大,为了方便计算,将其进行简化。各材料的参数取值见表1。
由表1可知,为了方便计算,研究将度汛渗流分析的材料分为3类,即坝基、坝体和灌浆帷幕。由于灌浆帷幕的灌浆效果有一定差距,因此对其中灌浆效果较差的情况进行考虑。
1.3 不同工况下的面板堆石坝渗流计算
在进行面板堆石坝的渗流计算时,考虑到不同条件下特征水位的影响,研究根据特征水位对上下游水头边界、自由出渗边界和不透水边界进行构建。拉哇水电站的正常蓄水位736m,死水位701m,设计洪水位736m,校核洪水位738.41m。坝体模型的边界条件见图1。
图1 坝体模型边界条件
由图1可知,模型的纵向边界为由坝体分别向上下游延伸239m处,横向边界为向左右岸分别延伸350和440m;垂直边界分别为坝顶和不透水层下方100m处。为了方便进行渗流计算,研究采用三维八节点六面体和二维平面四节点等进行模拟,并利用网格对其进行划分。在划分时,考虑到大坝面板、河床防渗帷幕、面板连接缝和灌浆帷幕等对计算结果的影响较大,因此对其进行网格加密处理,而对其余影响较小的部位进行减密处理[8-10]。
为了对不同工况下的面板堆石坝度汛渗透特点进行分析,研究以其度汛特点为根据,对工况进行分类,具体包括垫层直接挡水度汛、垫层及一期面板联合挡水度汛、垫层及二期面板联合挡水度汛。各工况下度汛及渗流特点见表2。
表2 不同工况下的度汛及渗流特点
由表2可知,工况1-工况3均为大坝的渗透稳定问题。其中,工况1为垫层直接挡水度汛,此时临时坝顶高程为730.3m;工况2为一期面板浇筑完毕;工况3的库水位为728 m。工况4与工况1均为垫层直接挡水度汛,但工况4的库水位为无水,此时的工况属于最危险的工况,所研究的是上游坝坡的稳定性。工况5与工况2类似,但库水位会骤降至无水,此时研究的是上游坝坡和一期面板的稳定性。工况6与工况3类似,但库水位降至715m,此时工况的危险程度仅次于工况4,所研究的是上游坝坡和二期面板的稳定性。
为了对面板堆石坝不同工况下的度汛渗透稳定性进行分析,研究将其分为垫层直接挡水度汛、垫层及一期面板直接挡水度汛以及垫层及二期面板直接挡水度汛3种。本节将对垫层直接挡水度汛的渗透稳定性进行分析,并将该工况分为稳定渗流和水位骤降两类。垫层直接挡水度汛时的临时坝顶高程730.3m,库水位716m。此时,稳定渗透和水位骤降时垫层直接挡水度汛的水力坡降变化见图2。
图2 稳定渗透和水位骤降时的水力坡降变化
由图2(a)可知,在大坝的中心剖面上,库水位为710、720和730m时,其水力坡降的峰值均在-220～-150m处,此时水力坡降均为0.5。当库水位为710、720和730m时,水力坡降的次高峰分别出现在150、150和200m处左右,此时水力坡降值分别为0.1、0.15和0.1。由此可见,各高程下水力坡降均沿河流顺向先上升后下降,待出现次高峰后,水力坡降逐渐变缓。由图2(b)可知,不同高程下,水位骤降时的水力坡降均沿河流顺向先上升后下降,再上升并下降;整个堆石坝内部的水力坡降值较小,而迎水面和背水面的坡降值较大。当高程为710、720和730m时,水力坡降的最大值均出现在180m处,对应的水力坡降值分别为0.8、0.77和0.74。而在与堆石坝相距480m处左右,各高程的水力坡降再次上升至较高水平,此时各高程下的水力坡降值分别为0.77、0.75和0.74。上述结果表明,当库水位不发生剧烈变化时,堆石坝的渗透状态稳定,而当库水位发生骤降时,堆石坝的渗流量较大,大坝存在破坏风险。
不同状态下,垫层及一期面板联合挡水度汛的水力坡降变化见图3。
图3 垫层及一期面板联合挡水度汛的水力坡降变化
由图3(a)可知,在大坝的中心剖面上,库水位为710、720和730m时,其水力坡降的峰值均出现在-200m处左右,此时水力坡降均为0.75。当库水位为710、720和730m时,水力坡降的次高峰分别出现在100～200、150和200m处左右,此时水力坡降值分别为0.15、0.2和0.15。由此可见,各高程下水力坡降均沿河流顺向先上升后下降,待出现次高峰后,水力坡降同样逐渐变缓。由图3(b)可知,不同高程下,水位骤降时的水力坡降均沿河流顺向先上升后下降。当高程为710、720和730m时,水力坡降的最大值均出现在210m处,对应的水力坡降值分别为15.4、15.1和15。而在与堆石坝的距离达到250m以上后,各高程的水力坡降值均下降至0左右,并保持相对稳定。结果表明,此时堆石坝的迎水面水力坡降值较大,一期面板具有较好的挡水作用。
垫层及二期面板联合挡水度汛的水力坡降见图4。
图4 垫层及二期面板联合挡水度汛的水力坡降
由图4(a)可知,在大坝的中心剖面上,各高程的水力坡降均先上升后下降,并在-200～250m的区间内呈剧烈波动状态。当库水位为710、720和730m时,其水力坡降的峰值均出现在-150m处左右,此时水力坡降均为1.1。当库水位为710、720和730m时,水力坡降的次高峰均出现在250m处左右,此时水力坡降值均为0.4;并且在距离达到400m以后,水力坡降逐渐变缓并趋于稳定。由图4(b)可知,不同高程下,水位骤降时的水力坡降均沿河流顺向先上升后下降。当高程为710、720和730m时,水力坡降的最大值均出现在130m处,对应的水力坡降值分别为39、38.6和38.1。而在与堆石坝的距离达到150m以上后,各高程的水力坡降值均下降至0左右,并保持相对稳定。由此可见,此时堆石坝的迎水面水力坡降值较大,二期面板具有较好的挡水作用。
为了进一步研究水位骤降情况下堆石坝的稳定性,研究通过力矩法和推力法,对其安全性进行分析。水位骤降时,不同工况的上游坝坡安全系数见图5。
图5 水位骤降条件下不同工况的上游坝坡安全系数
由图5(a)可知,在水位骤降条件下,垫层直接挡水度汛时,上游坝坡的安全系数随时间的推移呈阶梯式下降趋势,并最终稳定在1.9左右,其原因是随着水位的降低,上游的渗透压逐渐上升。在垫层和一期面板联合挡水度汛时,上游坝坡的安全系数随时间的推移逐渐下降,最终同样稳定在1.9左右,其原因是随着水位的下降,上游的渗透压同样逐渐上升。而在垫层和二期面板联合挡水度汛时,上游坝坡的安全系数随着时间的推移较为平缓的下降,最终稳定在3左右,其原因是随着水位的下降,虽然上游的渗透压逐渐上升,但由于面板具有良好的挡水作用,导致安全系数稳定在一个较高水平。由图5(b)可知,通过推力法得到的安全系数变化情况与力矩法一致。
为了探究不同工况下面板堆石坝的渗透特性,本文以拉哇水电站为例进行了研究。结果显示,当高程为710m时,在垫层挡水度汛工况下,其稳定渗流时的水力坡降峰值为0.5;水位骤降时的水力坡降峰值为0.8。垫层和一期面板联合挡水度汛工况下,稳定渗流和水位骤降时的水力坡降峰值分别为0.75和15.4;垫层和二期面板联合挡水度汛工况下,稳定渗流和水位骤降时的水力坡降峰值分别为1.1和39。研究表明,当库水位发生骤降时,在垫层挡水度汛工况下大坝存在破坏风险,而在其余两种工况下,由于面板具有挡水作用,大坝的安全性仍然较高。
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