考虑三维渗流演变特征的水利枢纽围堰防渗墙设计研究_侯伟建.pdf

第 58 卷 第 9 期2022 年 9 月GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY甘 肃 水 利 水 电 技 术Vol.58，No.9Sep.，2022DOI：10.19645/j.issn2095-0144.2022.09.004收稿日期：2022-07-11作者简介：侯伟建（1993-），男，江苏南京人，硕士，主要从事土石坝安全评价及细观分析，E-mail：。考虑三维渗流演变特征的水利枢纽围堰防渗墙设计研究侯伟建，陈秀云（水发规划设计有限公司，江苏 南京 210000）摘要：为研究淮沭新河水利枢纽围堰防渗墙结构入岩深度的设计问题，采用三维渗流对比计算方法，探讨了防渗墙不同入岩深度下流态与流场分布特征。研究获得防渗墙入岩一定深度下水头等值线、孔隙水压力以及浸润线等流态分布特征均优于防渗墙底位于基岩表面的方案。研究防渗墙不同入岩深度下围堰渗流特征可知，入岩深度愈大，围堰单宽渗流量愈低。但是，入岩深度并非越大越好，在深度8.0 m，后单宽渗流量降幅趋缓，其中导流量180.0 m3/s下，入岩深度8.012.0 m和0.08.0 m时，单宽渗流量分别平均降低了7.1%和26.5%。导流量愈大时，围堰单宽渗流量以及防渗墙底渗透坡降均增大。入岩深度愈大，防渗墙底渗透坡降并不是一致性递减，而是在深度10.0 m和12.0 m方案下呈较大增幅。基于围堰防渗墙流态与流场计算结果，防渗墙入岩深度8.0 m为最优设计方案。关键词：三维渗流；围堰；防渗墙；流态中图分类号：TV139.14文献标志码：A文章编号：2095-0144（2022）09-0016-051前言防渗墙是水利工程中最常见的防渗结构形式，其在坝体、围堰以及溢洪道等水工建筑中均有应用1-2，探讨防渗墙结构设计，有助于提升各水工建筑物的防渗能力。防渗墙结构设计不仅需要考虑自身渗流场特征，还需要考虑其与所防护水工建筑流态和流场影响3-4。冯晓波等5、邓佳等6为研究防渗墙结构设计方案，利用Fluent流场计算平台建立了防渗墙模型，并以此探讨了防渗墙模型内流速、压强等水力参数的影响变化，从流场方案比选考虑防渗墙体设计的合理性。张富有等7、唐友山等8认为防渗墙设计不仅需要考虑渗流问题，也需要探讨其结构荷载与水工建筑的耦合性问题，并基于此研究了结构设计方案下墙体应力、变形等影响特征，提出了适合于工程运营的防渗墙设计方案。作为一种水工结构，综合考虑其渗流和应力两方面更具有实用性。刁海鹏等9、温青山10采用流固耦合或渗流-应力耦合的方法，探讨了防渗墙设计下坝体、围堰等水工建筑主应力、位移以及流场影响变化，系统评价了地震作用下结构动力响应特征11，为综合分析防渗墙结构设计提供依据。为研究淮沭新河水利枢纽围堰防渗墙设计方案，借助三维渗流对比方法，探讨了防渗墙不同入岩深度对围堰流态和流场演化特征影响，丰富了水利枢纽围堰建设参考资料。2研究方法2.1工程概况淮沭新河是“十四五”时期苏北农业水利建设、维护的重点部位，对提升地区农业灌溉效率以及解决苏北部分县区防洪、排涝等问题均具有重要作用。根据农业用水估算结果，淮沭新河年均径流量可达12.0m3/s，全干流长度超过100.0 km，年供水量超过800.0万m3，在枯水季来水保证率75.0%下仍能确保缺水率不超过3.0%，有效支撑了苏北防汛抗旱的工作。在2022年7-8月全国较大范围面临高温干旱的影响，而淮沭新河从7月底开始加大泄流放水，对下游晚稻播种等提供了重要水利资源。在淮沭新河与下游洪泽湖二河水库的汇通区，建设有淮沭新河水利控制枢纽，承担着地区调水、发电以及防洪、排涝的水利职能。该水利枢纽控制淮沭新河所在流域面积超过30.0km2，直接影响淮沭新河上游、下游河道20.0 km，全干流泄流及蓄水所有调度均可通过该水利枢纽控制，特别是该水利枢纽已投入运营智慧水利系统，可根据沿线流域的气象、保供水等情况，最优化16调节泄流或蓄水运营能力。该水利枢纽工程规划有导流洞、引水隧洞、溢洪道、主坝等，全坝身主轴长为484.5 m，目前未增设防渗结构体系，因而设计采用围堰导流施工，导流量为230.0 m3/s，以此确保主坝防渗结构运营安全。该水利枢纽规划建设溢洪道如图1所示，为开敞式WES堰型设计，进水段包括控制端、闸门段以及反弧段，可初步协调动水势能对泄槽冲刷影响，溢洪道全长为284.5 m，其中泄槽段长度为124.5 m。溢洪道的规划建设也必须考虑围堰导流，特别是围堰工程中的自身防渗墙，确保溢洪道下游不出现过大渗漏、壅水等，结合主坝防渗体系建设，需要通过围堰导流，因而设计单位考虑先期开展围堰工程自身防渗墙结构研究，以确保主坝防渗体系与溢洪道结构导流施工的安全性。2.2建模研究围堰防渗墙结构设计过程涉及的工艺参数较多，需要与围堰实际运营状况相联系，确保围堰防渗结构体系设计满足安全、有效的要求。淮沭新河水利枢纽围堰工程全长为825.5 m，最大填筑高度达4.5 m，包括有堆石区、反滤区、土工防渗膜、防渗墙结构体系以及其他堆筑抛填区，另外还有围堰弱风化灰岩载体等。UG（Unigraphics）工程建模软件是当今较为流行的一种模型设计软件,其功能非常强大。采用此方法，以围堰3+105.03+705.0段为研究对象，全长为600.0 m，模型底部研究深度为50.0 m，该深度对应基岩面以下30.0 m，所建立的模型如图2所示12。根据功能分区和堆筑料实际，将围堰计算模型分为共11个研究面，其中均为基岩层，而防渗墙结构位于区，所给出的计算模型防渗墙深入基岩深度为2.0 m，厚度为1.0 m。模型计算结果可靠性不仅要与实际工程一致，相关边界条件也应满足工程要求，全模型均为位移约束，输入端设定有气、液二相体，顶部和底部分别为水平向约束和三向约束，岩土体物理力学参数根据室内试验取值，灰岩弹性模量为16.018.0 GPa，基岩所在层设置为水平向及竖直向约束，主要堆筑料以砂土碎石料为主，粒径分布在1.63.6 mm。围堰工程中不仅有防渗墙结构，而且在模型的区为土工膜，厚度为1.0 mm。其单宽渗流量满足式（1）13。qg=kgi=kgHgTg（1）式中：qg单宽渗流量（m3/s）；kg渗透系数（m/s）；i渗透坡降；Hg水头差（m）；Tg墙体厚度（m）。本模型中，土工膜的渗透系数取值为110-9m/s，独立模型如图3（a）所示，等渗单元划分后计算结果较优。另一防渗结构体系单元如图3（b）所示，防渗墙顶帽盖处网格划分进行了加密，确保满足计算精度要求。土工膜与防渗墙结构独立模型各自有网格单元26 246个和32 862个，节点数分别为24 582个和30 836个，围堰全模型中计算单元有126 382个、节点数107 624个。计算工况设定模型上游和下游水位分别为42.8 m和7.5 m。从围堰防渗结构设计考虑，土工膜位于表层，其单宽渗流量在相应设计厚度下满足防渗要求，而防渗墙结构作为围堰工程防渗体系重要组成部分，其基础入岩深度、墙体厚度等均会影响围堰防渗效果。为此，在设定防渗墙厚度为1.0 m的前提下，对防渗墙入岩深度进行分析，分别设定入岩深度为0.0 m（基岩表面）、2.0 m、4.0 m、6.0 m、8.0 m、10.0 m和12.0 m，研究防渗墙不同入岩深度方案下围堰流态和渗流特征，为实际工程防渗设计提供基础支撑。图1溢洪道设计简图0+021.50+032.50+49.50+059.51 20.00+110.01 1.50+152.50+197.50+224.50+233.50+284.5图2围堰计算模型120100806040200高度/m距离/m050100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650第9期侯伟建，等：考虑三维渗流演变特征的水利枢纽围堰防渗墙设计研究第58卷173防渗墙设计与围堰流态特征根据不同入岩深度防渗墙方案的计算结果，获得了各方案下围堰流态特征分布（图4）。依据防渗墙入岩深度 0.0 m 和 6.0 m 方案下对比可知，在入岩深度0.0 m方案中，围堰内水头等值线集中在背水侧坝脚溢出点，分布密度较集中，即下游坝坡渗流活动及所受水压力较大，容易形成渗漏；而在入岩深度6.0 m方案中，水头等值线集中在墙底部，坝脚溢出点渗透坡降转移至防渗墙区域，有助于下游围堰坝坡渗流活动，提升堰体防渗能力。图5为防渗墙入岩深度0.0 m和4.0 m时堰体孔隙水压力分布特征。从图5（a）中可以看出，在入岩深度为0.0 m时，堰体内孔隙水压力分布较均匀，从坝顶至坝底逐步增大；而防渗墙入岩深度为4.0 m时，孔隙水压力等值线均有转折点。图5（b）中孔隙水压力600 kPa 至 0 kPa，突变转折点位于防渗墙入岩段。防渗墙渗透系数与堰体渗透系数差异较大，水压力在防渗墙内会失去较大活跃性，进而在下游孔隙水压力会逐步降低趋缓，即防渗墙入岩深度设计优于防渗墙基岩面设计。同理，计算获得防渗墙底部位于基岩面与入岩深度6.0 m处堰体浸润线分布特征，如图6所示。从图中可知，防渗墙底部位于基岩面时，浸润线所处位置较高，堰体出逸点位于距离下游坝顶1/3处；在防渗墙底部入岩深度为6.0 m时，较大地改善了下游坝坡孔隙水压力分布，浸润线逐步降低，特别是在防渗墙入岩以后，浸润线降低显著，即防渗墙入岩一定深度，具有较好的防渗效果14。4防渗墙设计与围堰渗流特征从前述研究中可知，防渗墙入岩一定深度有利于围堰防渗，而选择合适的入岩深度则是设计最为关注的问题。以不同导流量下防渗墙设计方案中围堰渗流特征为对比进行分析，设定导流量分别为180.00 m3/s、230.00 m3/s和280.00 m3/s三种研究工况。4.1单宽渗流量特征根据围堰不同导流量下防渗墙入岩深度计算结果，获得了坝基单宽渗流量影响变化特征，如图7图3防渗结构模型土工膜防渗墙帽盖（a）土工膜模型（b）防渗墙独立模型（a）入岩深度0.0 m（b）入岩深度6.0 m80坝脚溢出点浸润线等值线流线120115110105100959085防渗墙底部坝脚溢出点浸润线等值线流线图4流态特征分布1 000020040060080002004006008001 000（a）入岩深度0.0 m（b）入岩深度4.0 m图5孔隙水压力特征2022年第9期甘肃水利水电技术第58卷18所示。分析图中单宽渗流量可知，在同一导流量下，防渗墙入岩深度愈大，则渗流量愈小。如导流量为 180.00 m3/s及入岩深度0.0 m时，单宽渗流量为6.99m3/s，而入岩深度为2.0 m和8.0 m时，单宽渗流量分别为5.34 m3/s和2.03 m3/s；进一步增大入岩深度到4.0 m、10.0 m和12.0 m后，相应的单宽渗流量较之前深度 2.0 m 时分别减少了 21.6%、66.3%和67.8%，即有效的入岩深度可以抑制坝基渗流活动。从总体上看，在导流量180.00 m3/s工况下，入岩深度8.0 m后，单宽渗流量降低趋势减缓，其中入岩深度10.0 m和12.0 m时的单宽渗流量比入岩深度8.0 m 时分别减少了 6.6%和 13.7%。在入岩深度8.012.0 m之间，单宽渗流量随入岩深度平均降幅为7.1%；而在入岩深度0.08.0 m间，随入岩深度递增，单宽渗流量最大降幅可达32.2%，各方案间平均降低了26.5%。研究表明，防渗墙入岩深度增加对坝基渗流活动抑制作用会逐渐减弱。同样，在导流量为 230.00 m3/s 和280.00 m3/时，单宽渗流量均有增长，但总体变化趋势与前者一致。在入岩深度8.0 m后，单宽渗流量的降幅均会放缓。导流量为280.00m3/s的工况中，在入岩深度2.08.0 m时，单宽渗流量总体降低了52.7%，方案间平均降低了22.9%；而入岩深度10.0 m和12.0 m后，单宽渗流量分别为2.32 m3/s和2.16 m3/s，降幅显著减小。从工程设计合理性与经济性考虑，单宽渗流量低于5.00 m3/s时即可满足堰体防渗要求