王亞輝

(北票市龍?zhí)端畮?kù)管理處，遼寧 北票 122124)

土石壩在實(shí)際工程中的應(yīng)用非常廣泛，它具有施工簡(jiǎn)便、工程造價(jià)低、可就地取材等很多優(yōu)點(diǎn)，隨著土石壩的普遍應(yīng)用，在工程建設(shè)方面占據(jù)著很重要的地位。壩下涵管由于位置較為隱蔽，常造成突發(fā)性災(zāi)害，且搶險(xiǎn)難度較大，涵管問(wèn)題的出現(xiàn)主要是由設(shè)計(jì)、施工和管理等原因造成的。

在20世紀(jì)的50—70年代，我國(guó)處在大力發(fā)展工程建設(shè)的階段，由于缺少精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)圖紙和專(zhuān)業(yè)的施工隊(duì)伍，使工程整體質(zhì)量降低，壩內(nèi)涵管出現(xiàn)了很多的滲漏問(wèn)題。近年來(lái)在很多新建的土石壩中也出現(xiàn)了壩下涵管滲漏的現(xiàn)象，而壩下涵管的防滲又關(guān)系到土石壩的整體穩(wěn)定，可知壩下涵管的滲漏問(wèn)題在土石壩中仍然是急需解決的問(wèn)題[1-6]。

1 基于ABAQUS滲流分析方法在土石壩中的應(yīng)用

1.1 工程概況及計(jì)算模型

1.1.1 工程概況

本論文研究的土石壩，主河道長(zhǎng)度為0.71km，流域面積0.288km2，壩頂高程為83.7m。壩址含有淤泥質(zhì)黏土、壤土、黏土和細(xì)沙，是一個(gè)綜合性質(zhì)的小型水利工程，同時(shí)具有灌溉、防洪和養(yǎng)殖的作用，設(shè)計(jì)灌溉耕地面積為800畝。

1.1.2 計(jì)算模型

(1)模型材料參數(shù)。主要研究壩下涵管截水環(huán)在不同位置時(shí)滲流場(chǎng)的變化規(guī)律。選取Mohr-Coulomb模型，埋管采用的是線彈性模型，所需的模型參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)獲取，計(jì)算模型材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算模型材料參數(shù)

(2)計(jì)算工況分3種。①涵管無(wú)截水環(huán)布置；②涵管有兩個(gè)截水環(huán)，截水環(huán)不與斜墻交接；③涵管有兩個(gè)截水環(huán)，任一截水環(huán)與斜墻交接。

1.2 不同工況條件下的滲流分析

大壩類(lèi)型為黏土斜墻土石壩，如圖1所示。大壩具體參數(shù)如圖中所示，為了研究壩下涵管周?chē)鷿B流場(chǎng)的滲流情況，建立了壩體與截水環(huán)滲流的模型。

圖1 土石壩橫斷面圖

1.2.1 涵管不設(shè)截水環(huán)壩體滲流分析

本文使用ABAQUS有限元軟件對(duì)涵管滲流進(jìn)行模擬分析，考慮到壩體岸坡的非重要性和軟件運(yùn)算效率的問(wèn)題，只對(duì)壩體本身和地基層進(jìn)行了有限元模擬，得到的孔隙水壓力云圖如圖2所示。

圖2 滲流孔隙水壓力云圖

因?yàn)閴蜗潞芎蛪误w土料之間的接觸為土體和剛體接觸，所以在該接觸面位置很容易產(chǎn)生集中滲流出口，因此在分析中我們應(yīng)該著重關(guān)注涵管周?chē)馏w的滲流流速、滲流孔壓和滲透比降等變量?，F(xiàn)將涵管頂部的中心線從上游到下游為路徑，周?chē)馏w的孔隙水壓力如圖3所示。

圖3 涵管頂部土體孔隙水壓力變化圖

由圖3可以看出，涵管周?chē)馏w的孔隙水壓力總體上呈現(xiàn)從上游至下游逐漸減小的趨勢(shì)。

又針對(duì)涵管頂部的滲流流速，將涵管頂部中心線位置處從上游至下游的位置處的滲流流速如圖4所示。

由達(dá)西定律可知，土體的滲透流速和滲透比降呈正比例的關(guān)系，可得土體的滲透坡降為。所以土體的滲透坡降和滲流流速有很大的關(guān)系，可得宦官頂部的土體滲透坡降如圖5所示。

圖4 涵管頂部滲流流速變化圖

圖5 涵管頂部土體滲透坡降變化圖

從圖4能夠看出，涵管頂部位置的滲流流速總體上呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，但是其增大的趨勢(shì)并不是一成不變的，增大的速率在一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，接著速率發(fā)生變化，土體的滲流速度在下游的末端達(dá)到最大值。從圖5得出，涵管頂部的土體滲透坡降符合“上截下排”的規(guī)律，總體上呈現(xiàn)從上游至下游逐漸增大的趨勢(shì)，在出水口的位置滲透坡降達(dá)到最大值，所以在下游位置為了防止?jié)B透破壞常常布置反濾層。

1.2.2 兩截水環(huán)與斜墻均無(wú)交接時(shí)滲流場(chǎng)分析

根據(jù)達(dá)西定律可得，涵管頂部的土體滲透坡降如圖6所示。

圖6 斜墻交接處無(wú)截水環(huán)時(shí)涵管頂部滲透坡降曲線圖

如圖6所示，滲透坡降在截水環(huán)處出現(xiàn)較大的波動(dòng)，涵管周?chē)馏w在坡降變化方面總體上呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，并且，在25m涵管下游的部分，土體的滲透坡降速率明顯增大。

大壩壩體內(nèi)共布置14根涵管(每根涵管3米)。考慮到了大壩上游的壩坡比為1∶2.5，于是從防滲體外第一根涵管處開(kāi)始布置截水環(huán)(數(shù)量為2個(gè))，布置在涵節(jié)中間。涵管頂部土體從上游至下游滲流流速如圖7所示。可知涵管周?chē)耐馏w在涵管頂部中心線從上游至下游總體上呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，這能說(shuō)明為了防止集中滲流現(xiàn)象的發(fā)生，在涵管周?chē)扇∵m當(dāng)?shù)拇胧┦呛苡斜匾摹?/p>

在涵管方向上，增加涵管的截水環(huán)數(shù)量，從第3根涵管開(kāi)始，將截水環(huán)布置在涵管的中間，涵管頂部土體中的孔隙水壓力圖如圖8所示。可知布置了截水環(huán)的涵管，其周?chē)耐馏w的滲流孔壓在涵管頂部中心位置處從上游至下游總體上呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。

1.2.3 任一截水環(huán)與黏土斜墻交接時(shí)滲流場(chǎng)分析

為了更好的分析交接處截水環(huán)對(duì)滲流場(chǎng)的影響，決定將兩個(gè)截水環(huán)中的一個(gè)布置在斜墻和涵管的交接位置處。為了能夠更好的比較交接處截水環(huán)的作用，得到任一截水環(huán)與黏土斜墻交接時(shí)的滲流流速如圖7所示。

圖7 任一截水環(huán)與黏土斜墻交接時(shí)涵管頂部滲流流速對(duì)比圖

圖7中，系列1代表斜墻與涵管交接處沒(méi)有截水環(huán)時(shí)涵管頂部的滲流速度，系列2代表的是斜墻與涵管交接處布置截水環(huán)時(shí)涵管頂部的滲流速度。圖中可以看出，兩個(gè)曲線的變化規(guī)律總體上呈現(xiàn)相似的規(guī)律，在截水環(huán)的位置處滲流流速都出現(xiàn)了明顯的變化，截水環(huán)的布置，能夠減小滲流的速度，并且在下游的部位布置截水環(huán)對(duì)壩體的整體穩(wěn)定起到一定的作用。

將增加截水環(huán)前后的孔壓數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，如圖8所示。

圖8 任一截水環(huán)與黏土斜墻交接時(shí)涵管頂部滲流孔壓

圖8中，系列1代表的是斜墻與涵管交接處沒(méi)有截水環(huán)時(shí)的孔壓變化，系列2代表的是斜墻與涵管交接處布置截水環(huán)時(shí)的孔壓變化；從圖中可以很明顯的看出，系列1和系列2相似程度很好，基本上達(dá)到重合的效果，可見(jiàn)在斜墻與涵管交接處布置截水環(huán)對(duì)涵管周?chē)馏w的孔壓幾乎不產(chǎn)生影響。

斜墻與涵管交接處布置截水環(huán)前后涵管周?chē)馏w的滲透坡降圖如圖9所示。

圖9 斜墻交接處有截水環(huán)時(shí)涵管頂部滲透坡降曲線對(duì)比

由圖9中可以看出，在斜墻與涵管的交接處布置截水環(huán)，使得滲透坡降明顯降低，在截水環(huán)的位置滲透坡降都出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)，可知在斜墻與涵管的交接處布置截水環(huán)對(duì)滲透坡降有很好的效果。

1.3 三種工況下滲流場(chǎng)分析對(duì)比

本文主要針對(duì)壩下涵管周?chē)馏w滲流場(chǎng)的滲流速度、孔壓和滲透坡降三方面進(jìn)行研究，將涵管無(wú)截水環(huán)、有兩截水環(huán)不與斜墻交接和任一截水環(huán)與斜墻交接的3種工況進(jìn)行分析，得出滲流流速、孔壓和滲透坡降的規(guī)律如圖10—12所示。

圖10 不同工況時(shí)滲流流速

圖11 不同工況時(shí)孔隙水壓力

圖10—12中，系列1代表涵管無(wú)截水環(huán)的工況，系列2代表有兩個(gè)截水環(huán)但是截水環(huán)不與斜墻交接的工況，系列3代表任一截水環(huán)與斜墻交接工況。從3個(gè)圖中可以看出：在斜墻交接位置布置截水環(huán)能夠使?jié)B流場(chǎng)更加穩(wěn)定，有利于壩體的整體穩(wěn)定；截水環(huán)對(duì)涵管周?chē)馏w中的孔隙水壓力基本上不產(chǎn)生任何影響；截水環(huán)對(duì)涵管周?chē)馏w的滲透坡降起到一定的作用，并且周?chē)馏w的滲透坡降呈現(xiàn)的規(guī)律變化與滲流流速基本一致。

2 結(jié)語(yǔ)

本文利用有限元軟件ABAQUS，研究壩下涵管處有無(wú)截水環(huán)和截水環(huán)不同位置處對(duì)涵管周?chē)馏w的滲流影響，主要研究?jī)?nèi)容如下：

圖12 不同工況時(shí)滲透坡降

(1)本文基于涵管無(wú)截水環(huán)、涵管有兩個(gè)截水環(huán)但是不與斜墻交接和兩個(gè)截水環(huán)中任一個(gè)截水環(huán)與斜墻交接3種工況，對(duì)3種工況下的滲流速度、孔壓和滲流坡降3個(gè)指標(biāo)在涵管周?chē)馏w的變化。

(2)比較3個(gè)指標(biāo)對(duì)3種工況下防滲效果的影響程度，提出了應(yīng)該在涵管與斜墻的交界處布置截水環(huán)的建議，對(duì)實(shí)際工程提供理論依據(jù)。