陳 淼

(濟(jì)南市水利工程服務(wù)中心,濟(jì)南 250103)

1 概 述

建立在滲透性土壤基礎(chǔ)上的大壩,水滲透通過土壤對(duì)大壩施加揚(yáng)壓力,同時(shí)可能攜帶土壤顆粒,導(dǎo)致大壩坡壞侵蝕。為此,許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。張鳳芹等[1]對(duì)蒲石河電站下庫大壩揚(yáng)壓力超限原因進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,兩岸地下水高于下游水位、基巖接縫高程及基巖裂隙是導(dǎo)致大壩滲壓系數(shù)超標(biāo)的主要原因。李瑞東[2]對(duì)水庫大壩局部壩基揚(yáng)壓力異常原因進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,壩基防滲帷幕運(yùn)行異常以及壩基內(nèi)部存在滲漏通道、局部強(qiáng)透水帶是引起重新埋設(shè)測(cè)壓管后揚(yáng)壓力測(cè)值異常的主要原因。何昆等[3]對(duì)涌潮作用下丁壩水力特性的數(shù)值模擬進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,涌潮潮頭剛到達(dá)丁壩時(shí),多表現(xiàn)為波浪特性;經(jīng)過丁壩后,多表現(xiàn)為水流特性。鄭永蘭等[4]對(duì)臺(tái)階式溢流壩消能的水力特性和設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,通過對(duì)工程實(shí)例的分析,采用各種水力學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算,并與水工模型試驗(yàn)成果進(jìn)行對(duì)比,得出各種計(jì)算方法的適應(yīng)性及規(guī)律性。李立平等[5]對(duì)河南省寶泉抽水蓄能電站下庫大壩滲流特征進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,局部裂縫會(huì)引起大壩混凝土防滲面板滲壓值增大,通過對(duì)大壩加高、加厚、增設(shè)鋼筋混凝土防滲面板等措施,使大壩處于正常工作狀態(tài)。姚伯清等[6]對(duì)水電站水庫混凝土壩防滲墻施工技術(shù)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,施工過程中劃分防滲墻施工槽段,分散水流對(duì)防滲墻體的沖刷作用;澆筑大壩防滲墻體混凝土?xí)r,設(shè)置導(dǎo)管將槽孔與墻體連接固定,從而實(shí)現(xiàn)防滲墻的穩(wěn)定施工。

以上文獻(xiàn)對(duì)大壩的水力特性和大壩滲流特性進(jìn)行了研究,分析了大壩揚(yáng)壓力異常情況下的施工措施。本文通過建立河道導(dǎo)流壩數(shù)值模型,針對(duì)不同角度和不同位置的滲流墻進(jìn)行研究,并對(duì)防滲墻的揚(yáng)壓力、上拔力及防滲墻對(duì)滲流的影響進(jìn)行分析。

2 研究區(qū)概況

某市境內(nèi)河道途經(jīng)多個(gè)村莊,村民灌溉農(nóng)田和果園均從該河道取水。在枯水季節(jié),河水較少,無法滿足農(nóng)田和果園灌溉條件,擬在河道上建立攔水大壩,以便在枯水季存儲(chǔ)滿足灌溉條件的水量。由于兩岸土壤均為滲透性土壤,因此河道兩邊的導(dǎo)流壩需建立防滲墻。為了防止水滲透通過土壤對(duì)大壩施加揚(yáng)壓力,進(jìn)而對(duì)大壩造成損壞,本文建立數(shù)值模型,分析不同位置和角度的防滲墻對(duì)導(dǎo)流壩揚(yáng)壓力的影響。

3 數(shù)值模擬建立

本次研究中,設(shè)置導(dǎo)流壩的尺寸見圖1。設(shè)置邊界條件上游水頭35m,下游水頭25m,基礎(chǔ)底部、右側(cè)墻、左側(cè)墻及導(dǎo)流壩底部為防滲墻,將其作為數(shù)值模擬的基礎(chǔ)模型。本次模擬所采用的力學(xué)參數(shù)均通過實(shí)際測(cè)量可得,具體參數(shù)見表1。在模型材料特性設(shè)置方面,壩基底部基巖采用彈塑性模型;防滲墻主要材料為鋼筋混凝土,采用彈性模型;模型的強(qiáng)度準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。

表1 各項(xiàng)參數(shù)選取

圖1 導(dǎo)流壩橫截面

本文采用Seep/w模型進(jìn)行滲流有限元計(jì)算。模型建立完成后,二維元素總數(shù)為3 236個(gè),防滲墻和壩基的滲透性見表2。

表2 大壩材料的滲透性

根據(jù)基礎(chǔ)模型,本文設(shè)置防滲墻的10種布置位置。從導(dǎo)流壩上游開始,防滲墻的布置距離與大壩長度的比值(b1/b)分別為0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8和0.9,防滲墻深度12m,厚度0.5m。同時(shí),設(shè)置7個(gè)不同的角度。相對(duì)于垂直位置,設(shè)置角度(θ)分別為0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°,見圖2。其中,B為導(dǎo)流壩長度;D為下游水頭高度;b為大壩長度;b1為導(dǎo)流壩上游到防滲墻布置距離;d為防滲墻高度;θ為防滲墻角度;E為防滲墻布置位置。

圖2 大壩幾何參數(shù)的定義

4 結(jié)果與分析

4.1 防滲墻上拔力分析

為了研究不同防滲角度對(duì)滲流速率和揚(yáng)壓力的影響,本文從防滲墻的10個(gè)相對(duì)位置對(duì)防滲墻的上拔力進(jìn)行比較,見圖3。

圖3 相對(duì)防滲墻位置對(duì)上拔力的影響

由圖3可知,根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,當(dāng)相對(duì)防滲墻位置為0時(shí),上拔力強(qiáng)度因子為0.35;當(dāng)相對(duì)防滲墻位置為0.4時(shí),上拔力強(qiáng)度因子為0.89;當(dāng)相對(duì)防滲墻位置為0.6時(shí),上拔力強(qiáng)度因子為1.16;當(dāng)相對(duì)防滲墻位置為0.9時(shí),上拔力強(qiáng)度因子為1.57。

由此可知,上拔力的最小值在大壩截流位的上游;最大值位于大壩末端,由此確定滲流墻橫截面滲流將位于距離大壩29.5m的位置。因此,為了減少揚(yáng)壓力,截流的最佳位置在大壩的上游,即壩踵位置。根據(jù)模擬數(shù)據(jù),該位置強(qiáng)度系數(shù)為0.35,相對(duì)于不使用截水墻情況下,上游截水導(dǎo)致上升力減小0.75。

4.2 大壩出口梯度分析

根據(jù)對(duì)防滲墻出口梯度進(jìn)行數(shù)值模擬,可得防滲墻的出口梯度和未設(shè)置防滲墻模型出口梯度比率圖形,見圖4。

圖4 相對(duì)防滲墻位置對(duì)出口梯度的影響

由圖4可知,根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,當(dāng)防滲墻相對(duì)位置為0時(shí),出口梯度比為0.44;當(dāng)防滲墻相對(duì)位置為0.4時(shí),梯度比為0.40;當(dāng)防滲墻相對(duì)位置為0.6時(shí),梯度比為0.34;當(dāng)防滲墻相對(duì)位置為0.9時(shí),梯度比為0.17。表明出口坡度的最小值適用于防滲墻位于大壩末端的情況;最大值適用于防滲墻位于大壩上游的情況。

由此可知,為了減小出口坡度,防滲墻的最佳位置為大壩的下游。當(dāng)防滲墻相對(duì)位置離大壩上游壩踵越遠(yuǎn),出口水力梯度比的拋物線下降幅度越大,而且所有條件下的出口坡度值均小于臨界值,不會(huì)使大壩面臨風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)防滲墻相對(duì)距離為0.5時(shí),出口坡度將快速下降。因此,當(dāng)項(xiàng)目中出現(xiàn)危險(xiǎn)的水力梯度時(shí),可將防滲墻放置在大壩下游0.5的相對(duì)位置范圍內(nèi)。

4.3 防滲墻對(duì)滲流的影響分析

根據(jù)對(duì)防滲墻滲流進(jìn)行數(shù)值模擬,可得防滲墻的滲流和未設(shè)置防滲墻模型滲流流量比圖形,見圖5。

圖5 防滲墻相對(duì)位置對(duì)滲流的影響

由圖5可知,根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,當(dāng)防滲墻相對(duì)位置為0時(shí),滲流流量比為0.547;當(dāng)防滲墻相對(duì)位置為0.4時(shí),滲流流量比為0.573;當(dāng)防滲墻相對(duì)位置為0.6時(shí),滲流流量比為0.571;當(dāng)防滲墻相對(duì)位置為0.9時(shí),滲流流量比為0.552。

當(dāng)防滲墻布置距離在0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8和0.9(b1/b)的相對(duì)位置時(shí),各位置的滲流均處于減弱狀態(tài)。在距離上游0～0.5的相對(duì)位置范圍內(nèi)設(shè)置防滲墻,流量曲線呈拋物線快速遞增;當(dāng)距離下游0.5～0.9的相對(duì)位置內(nèi),流量曲線呈拋物線快速遞減。在上游或下游的相對(duì)位置設(shè)置防滲墻,將會(huì)出現(xiàn)最小流量值;而在壩中相對(duì)位置設(shè)置防滲墻,則會(huì)出現(xiàn)最大流量值[7]。

4.4 防滲墻揚(yáng)壓力分析

根據(jù)對(duì)防滲墻揚(yáng)壓力進(jìn)行數(shù)值模擬,可得在不同角度條件下,防滲墻相對(duì)位置E接觸點(diǎn)(圖2)的揚(yáng)壓力與直角防滲墻的揚(yáng)壓力比較曲線,見圖6。

圖6 防滲墻角度對(duì)防滲墻相對(duì)位置的揚(yáng)壓力影響

由圖6可知,根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,當(dāng)防滲墻設(shè)置角度為0時(shí),防滲墻在相對(duì)位置0、0.2、0.4、0.6、0.8的揚(yáng)壓力百分比均為0;當(dāng)防滲墻設(shè)置角度為20°時(shí),防滲墻在相對(duì)位置0、0.2、0.4、0.6、0.8的揚(yáng)壓力百分比分別為21.34、26.46、32.57、40.79、54.28;當(dāng)防滲墻設(shè)置角度為40°時(shí),防滲墻在相對(duì)位置0、0.2、0.4、0.6、0.8的揚(yáng)壓力百分比分別為44.78、52.35、60.39、70.85、81.93;當(dāng)防滲墻設(shè)置角度為60°時(shí),防滲墻在相對(duì)位置0、0.2、0.4、0.6、0.8的揚(yáng)壓力百分比分別為60.72、68.25、75.64、83.86、93.49。

由此可知,在上游開始防滲墻的相對(duì)位置不變的條件下,當(dāng)角度逐漸增加時(shí),防滲墻相對(duì)位置時(shí)的揚(yáng)壓力將增大,防滲墻越靠近下游壩踵部位,防滲墻的角度越大,其相對(duì)位置時(shí)的揚(yáng)壓力越大。在角度不變的條件下,防滲墻相對(duì)位置距離越大,則離上游壩踵越遠(yuǎn),其在相對(duì)位置時(shí)的揚(yáng)壓力越大。

4.5 防滲墻直角條件下總揚(yáng)壓力分析

根據(jù)對(duì)防滲墻揚(yáng)壓力進(jìn)行數(shù)值模擬,可得不同角度的防滲墻在直角條件下總揚(yáng)壓力比較曲線,見圖7。

圖7 防滲墻角度對(duì)防滲墻直角位置的揚(yáng)壓力影響

由圖7可知,根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,當(dāng)防滲墻設(shè)置角度為0時(shí),防滲墻在直角條件下,相對(duì)位置0、0.2、0.4、0.6、0.8時(shí)揚(yáng)壓力遞減百分比均為0;當(dāng)防滲墻設(shè)置角度為20°時(shí),防滲墻在直角條件下,相對(duì)位置0、0.2、0.4、0.6、0.8時(shí)揚(yáng)壓力遞減百分比分別為13.05、7.28、4.71、2.68、1.15;當(dāng)防滲墻設(shè)置角度為40°時(shí),防滲墻在直角條件下,相對(duì)位置0、0.2、0.4、0.6、0.8時(shí)揚(yáng)壓力遞減百分比分別為30.46、14.86、8.32、3.87、0.81;當(dāng)防滲墻設(shè)置角度為60°時(shí),防滲墻在直角條件下,相對(duì)位置0、0.2、0.4、0.6、0.8時(shí)揚(yáng)壓力遞減百分比分別為43.61、19.8、9.85、3.72、0.1。

由此可知,在防滲墻設(shè)置靠近下游跟部條件下,當(dāng)防滲墻角度相同時(shí),總揚(yáng)壓力遞減的百分比逐漸降低,表明跟部附近位置的總揚(yáng)壓力大于其它部位,這與圖3相對(duì)應(yīng)。在角度相同條件下,靠近大壩上游位置的總揚(yáng)壓力遞減百分比將有更大的增量,而靠近大壩下游的位置將降低其強(qiáng)度。

4.6 不同角度狀態(tài)下防滲墻等勢(shì)線分析

根據(jù)對(duì)大壩上游跟部的防滲墻進(jìn)行數(shù)值模擬,可得兩種角度的防滲墻的等勢(shì)曲線,見圖8。

圖8 防滲墻等勢(shì)曲線

由圖8可知,相較于直角狀態(tài),在傾斜條件下,上游跟部的等勢(shì)線表現(xiàn)出明顯的水頭損失。與未設(shè)置防滲墻的等勢(shì)線相比,顯示出較低的揚(yáng)應(yīng)力。由此可知,防滲墻角度的設(shè)置為大壩提供了更多的穩(wěn)定性。在圖8中的觀察范圍內(nèi),有角度的防滲墻滲流流量將低于直角條件。

5 結(jié) 論

本文通過建立河道導(dǎo)流壩數(shù)值模型,對(duì)防滲墻的揚(yáng)壓力、上拔力及防滲墻對(duì)滲流的影響進(jìn)行了分析。結(jié)論如下:

1)上拔力的最小值在大壩截流位的上游;最大值位于大壩末端。為了減少揚(yáng)壓力,截流的最佳位置在大壩的上游。防滲墻相對(duì)位置離大壩上游壩踵越遠(yuǎn),出口水力梯度比下降幅度越大;所有條件下的出口坡度值均小于臨界值,不會(huì)使大壩面臨風(fēng)險(xiǎn)。

2)在上游或下游的相對(duì)位置設(shè)置防滲墻,將會(huì)出現(xiàn)最小流量;在壩中相對(duì)位置設(shè)置防滲墻,則會(huì)出現(xiàn)最大流量。當(dāng)角度逐漸增加時(shí),防滲墻相對(duì)位置時(shí)的揚(yáng)壓力越大;防滲墻越靠近下游壩踵部位,防滲墻的角度越大,其相對(duì)位置時(shí)的揚(yáng)壓力越大。

3)在防滲墻設(shè)置靠近下游跟部,總揚(yáng)壓力遞減的百分比逐漸降低;靠近大壩上游位置的總揚(yáng)壓力,遞減百分比將明顯增大。