牛文龍，徐鵬飛，秦 景

(1.北京中水科工程集團(tuán)有限公司，北京 100048；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100044)

1 概述

碾壓混凝土重力壩由于其施工進(jìn)度快、造價(jià)低、施工方便、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)等特點(diǎn)被廣泛采用，在我國(guó)絕大多數(shù)地區(qū)建造了數(shù)百座[1]。然而，由于碾壓混凝土壩是采用分層碾壓施工，由于溫度、風(fēng)速、施工方式等原因會(huì)導(dǎo)致碾壓混凝土層面出現(xiàn)施工冷縫，從而導(dǎo)致水流通過(guò)冷縫滲漏[2]。因此，研究碾壓混凝土壩揚(yáng)壓力的分布和大小，對(duì)碾壓混凝土壩的滲流安全起到至關(guān)重要的作用。吳艷等[3]學(xué)者針對(duì)新疆地區(qū)在低端建設(shè)條件下第一座百米級(jí)全斷面碾壓混凝土重力壩進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)水位是影響橫縫開(kāi)合度和壩體水平位移的主要因素。張斌[4]在分析碾壓混凝土相關(guān)壩體滲透系數(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)百米級(jí)三級(jí)配碾壓混凝土壩進(jìn)行了滲透穩(wěn)定計(jì)算。梁嘉琛[5]對(duì)某重力壩滲透壓力的預(yù)測(cè)分析，并與ARIMA、ANN模型結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。白正雄等[6]選取了重力壩典型壩段，評(píng)價(jià)了地基的滲流場(chǎng)分布特征和防滲排水系統(tǒng)的滲流控制效應(yīng)，對(duì)滲控體系進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，滲流經(jīng)過(guò)防滲帷幕和排水孔的排水降壓作用后，地基的孔隙水壓顯著降低，防滲排水系統(tǒng)的滲控效果顯著。李明超等[7]針對(duì)碾壓混凝土重力壩的滲漏問(wèn)題，以某實(shí)際的高碾壓混凝土重力壩防滲結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了基于伽遼金法的滲控結(jié)構(gòu)滲流數(shù)值模擬分析，以"變態(tài)混凝土-二級(jí)配碾壓混凝土"為主要防滲材料，對(duì)采用不同厚度的上游防滲材料、不同布置方式的碾壓混凝土壩滲控結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算和對(duì)比分析。結(jié)果表明：不同上游防滲材料的厚度變化對(duì)壩體滲流量影響不同，二級(jí)配碾壓混凝土的厚度對(duì)壩體滲流量的影響是近似線性的，而變態(tài)混凝土的厚度對(duì)其影響則是非線性的。袁自立等[8]針對(duì)石漫灘碾壓混凝土重力壩滲流異常問(wèn)題，根據(jù)其運(yùn)行表現(xiàn)，系統(tǒng)分析了大壩滲流觀測(cè)資料，并利用有限元模型正反分析其滲流異常，發(fā)現(xiàn)壩體混凝土等效滲透系數(shù)不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，基于壩體多處出現(xiàn)射水、滲漏量增大明顯的現(xiàn)狀，建議盡快除險(xiǎn)加固，以確保工程安全。宋永占等[9]為找出混凝土重力壩壩基防滲帷幕深度、厚度、位置因素對(duì)防滲效果的影響規(guī)律，在滲流理論基礎(chǔ)上借助Fluent軟件用數(shù)值模擬法分析壩基滲流場(chǎng)，分析指出壩基帷幕防滲作用與其自身滲透性有關(guān)，帷幕深度對(duì)壩基揚(yáng)壓力影響較大，帷幕厚度主要影響壩基滲流量，帷幕位置只影響壩基揚(yáng)壓力。因此，本文以某碾壓混凝土重力壩為研究對(duì)象，開(kāi)展二維揚(yáng)壓力計(jì)算，基于溢流壩、非溢流壩在變化水位下評(píng)價(jià)壩體及壩基是否滿足滲流安全要求。

2 工程概況

某水庫(kù)是一座以具有防洪、供水、灌溉等綜合功能的水利樞紐工程，在運(yùn)行中，水庫(kù)的調(diào)度主要是通過(guò)輸水隧洞進(jìn)行輸水，滿足下游灌溉及供水；汛期當(dāng)庫(kù)水位高于汛泄水位159.0m時(shí)，通過(guò)溢洪道進(jìn)行泄洪，控制水位。某水庫(kù)大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高42.2m，壩頂長(zhǎng)168m，壩頂高程163.0m。壩中部設(shè)溢洪道2孔，孔凈寬12m，溢洪道高程156m，安裝12m×6.3m弧形閘門。

壩基地質(zhì)情況是壩底下游所揭露的壩基接觸面標(biāo)高為237.28～241.34m。壩基巖性為白云巖、雜色、石英石為主，可見(jiàn)長(zhǎng)石，其中長(zhǎng)石為肉紅色，半自型粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理發(fā)育，巖芯多呈20～30cm短柱狀，錘擊聲清脆，鉆探進(jìn)尺很慢，鉆進(jìn)困難，未發(fā)生掉鉆，未揭露空洞。該區(qū)域未見(jiàn)大的斷裂構(gòu)造，從區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造分析，不存在發(fā)震構(gòu)造。根據(jù)GB 50011—2016《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，本區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度，第二組。

3 計(jì)算分析方法

3.1 計(jì)算方法

本文采用Abaqus軟件，通過(guò)有限元法，將滲流場(chǎng)看作是由離散的且有限個(gè)以結(jié)點(diǎn)互相聯(lián)系的單元體所組成，同時(shí)假設(shè)單元體內(nèi)的滲透水頭變化是線性的，求得單元節(jié)點(diǎn)處的水頭值便可近似代表滲流場(chǎng)中該點(diǎn)處的水頭值。

3.2 計(jì)算模型及邊界條件

選取計(jì)算模型坐標(biāo)系為：x軸方向?yàn)轫樅酉?，從上游指向下游為正向；y軸方向?yàn)樨Q向，沿壩高方向從下向上為正向。根據(jù)大壩現(xiàn)狀的布置及其結(jié)構(gòu)特征，選擇水庫(kù)非溢流壩段(左0+017.27—左0+072.00)、非溢流壩段(右0+010.23—右0+090.00)和溢流壩段(左0+017.27—右0+010.23)3個(gè)典型橫剖面。

有限元模型計(jì)算范圍為：非溢流壩段(左0+017.27—左0+072.00)上部壩體取該壩段最大橫段面，下部壩基向上、下游及深度方向各取40m，為最大壩高的1倍；非溢流壩段(右0+010.23—右0+090.00)上部壩體取該壩段最大橫段面，下部壩基向上、下游及深度方向各取39m，為最大壩高的1倍；溢流壩段(左0+017.27—右0+010.23)上部壩體取該壩段最大橫段面，下部壩基向上、下游及深度方向各取58m，為最大壩高的1.5倍。

采用四邊形單元為主，輔以三角形單元來(lái)進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分，四邊形單元類型為CPE8RP，三角形單元類型為CPE6MP。非溢流壩段(左0+017.27—左0+072.00)共包括329個(gè)單元，1040個(gè)結(jié)點(diǎn)；非溢流壩段(右0+010.23—右0+090.00)共包括801個(gè)單元，2504個(gè)結(jié)點(diǎn)；溢流壩段(左0+017.27—右0+010.23)共包括1471個(gè)單元，4542個(gè)結(jié)點(diǎn)。有限元模型網(wǎng)格如圖1—3所示。在選定的模型范圍內(nèi)，四周位移和自由度均約束。

圖1 非溢流壩段(左0+017.27—左0+072.00)有限元模型網(wǎng)格圖

圖2 非溢流壩段(右0+010.23—右0+090.00)有限元模型網(wǎng)格圖

圖3 溢流壩段(左0+017.27—右0+010.23)有限元模型網(wǎng)格圖

3.3 計(jì)算參數(shù)及工況

3.3.1壩體及壩基材料滲透系數(shù)

混凝土、灌漿帷幕及防滲墻等滲流計(jì)算參數(shù)參照類似工程選取，壩基排水孔幕的等效滲透系數(shù)按“以縫代井列”方法分析確定，滲流計(jì)算材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 大壩及地基滲流計(jì)算參數(shù)表

3.3.2計(jì)算工況

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，并結(jié)合某水庫(kù)工程的實(shí)際情況，確定的計(jì)算工況為①正常蓄水位工況：上游水位161.8m，下游對(duì)應(yīng)水位125.0m；②校核洪水位工況：上游水位163.0m，下游對(duì)應(yīng)水位128.2m。

4 計(jì)算結(jié)果分析

非溢流壩段(左0+017.27—左0+072.00)壩基滲流計(jì)算結(jié)果如圖4所示，壩體結(jié)果如圖5所示。由圖4—5可知，正常蓄水位和校核洪水位2種工況的各典型橫斷面建基面揚(yáng)壓力水頭分布規(guī)律具有相似性，順河向從上游到下游揚(yáng)壓力水頭總體呈減小的趨勢(shì)。分析非溢流壩段(左0+017.27—左0+072.00)壩基斷面，在距離壩踵0～3m的位置，揚(yáng)壓力水頭緩慢下降；然而，在距離壩踵3～5m的位置出現(xiàn)了突降，揚(yáng)壓力水頭從37～38m降落至16～20m；在距離壩踵5.2～33m的位置，揚(yáng)壓力水頭恢復(fù)緩慢線性下降趨勢(shì)。分析非溢流壩段(左0+017.27—左0+072.00)壩體斷面，在距離壩踵1.5～2.5m的位置，揚(yáng)壓力水頭基本保持不變；在距離壩踵2.5m的位置以后，揚(yáng)壓力水頭出現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)。

圖4 非溢流壩段(左0+017.27—左0+072.00)壩基斷面揚(yáng)壓力計(jì)算結(jié)果

圖5 非溢流壩段(左0+017.27—左0+072.00)壩體斷面揚(yáng)壓力計(jì)算結(jié)果

非溢流壩段(右0+010.23—右0+090.00)壩基滲流計(jì)算結(jié)果如圖6所示，壩體結(jié)果如圖7所示。分析非溢流壩段(右0+010.23—右0+090.00)壩基斷面，在距離壩踵0～4m的位置，揚(yáng)壓力水頭緩慢下降；隨著距離壩踵位置距離的增加，在距離壩踵4～5m的位置出現(xiàn)了突降，揚(yáng)壓力水頭從36.8～38m降落至18～20m；在距離壩踵6.2～35m的位置，揚(yáng)壓力水頭恢復(fù)緩慢下降趨勢(shì)。分析原因可知，壩基防滲帷幕對(duì)揚(yáng)壓力和滲漏的變化起著重要的作用，當(dāng)防滲帷幕可以起到有效防滲作用時(shí)，會(huì)直接導(dǎo)致滲漏量顯著增大。根據(jù)相關(guān)學(xué)者研究表明：當(dāng)防滲帷幕滲透系數(shù)小于5.0×10-7cm/s時(shí)，帷幕能起到較好的防滲作用[10- 12]。本工程壩基防滲帷幕的滲透系數(shù)為1.0×10-7cm/s，說(shuō)明防滲帷幕起到較好的防滲作用。因此，在防滲帷幕所在位置處，壩體的揚(yáng)壓力出現(xiàn)了明顯減小，即在距離壩踵4～5m的位置出現(xiàn)了突降。然而，分析溢流壩段(左0+017.27—右0+010.23)滲流計(jì)算結(jié)果(壩基滲流計(jì)算結(jié)果如圖8所示，壩體結(jié)果如圖9所示)可知，壩體與壩基的揚(yáng)壓力水頭線變化規(guī)律基本一致。由此可知，壩基防滲帷幕對(duì)于壩基的揚(yáng)壓力降低起到了重要作用，但是對(duì)于壩體的揚(yáng)壓力降低影響較小。

圖6 非溢流壩段(右0+010.23—右0+090.00)壩基斷面揚(yáng)壓力計(jì)算結(jié)果

圖7 非溢流壩段(右0+010.23—右0+090.00)壩體斷面揚(yáng)壓力計(jì)算結(jié)果

圖8 溢流壩段(左0+017.27—右0+010.23)壩基斷面揚(yáng)壓力計(jì)算結(jié)果

圖9 溢流壩段(左0+017.27—右0+010.23)壩體斷面揚(yáng)壓力計(jì)算結(jié)果

兩岸非溢流壩段和中間溢流壩段的壩基揚(yáng)壓力結(jié)果匯總見(jiàn)表2。在正常蓄水位工況下，各典型斷面建基面揚(yáng)壓力水頭最大值為41.18m，帷幕處的揚(yáng)壓力水頭最大值為21.80m，位置為中間溢流壩段壩踵處，地面高程113.8m。在校核洪水位工況下，各典型斷面建基面揚(yáng)壓力水頭最大值為42.85m，帷幕處的揚(yáng)壓力水頭最大值為24.92m，位置為中間溢流壩段壩踵處，地面高程113.8m。結(jié)果表明，通過(guò)設(shè)置防滲墻、防滲帷幕及排水孔幕以降低揚(yáng)壓力的作用較明顯。對(duì)于碾壓混凝土重力壩而言，由于施工工藝采用的是逐層澆筑碾壓混凝土[13]。因此，在上下游水位差變化的時(shí)候，靠近上游的碾壓混凝土對(duì)滲水的運(yùn)動(dòng)起到主要的阻礙作用，但是水流仍會(huì)沿著層、縫面滲入到壩體中，而其后的排水孔幕能起到很好的排水降壓作用。由于排水孔幕的排水作用相對(duì)于上游面的碾壓混凝土的阻止水流滲透能力較強(qiáng)，極少部分的水流能繞過(guò)排水孔向距離壩踵位置較遠(yuǎn)的碾壓混凝土區(qū)域繼續(xù)滲透，總水頭等表現(xiàn)為基本水平無(wú)壓的狀態(tài)，因而排水孔幕后的碾壓混凝土區(qū)的揚(yáng)壓力能夠得到很好的控制。因此，在非溢流壩段(左0+017.27—左0+072.00)最大揚(yáng)壓力水頭在校核洪水位工況比正常蓄水位工況高3.06%，在非溢流壩段(右0+010.23—右0+090.00)與溢流壩段(左0+017.27—右0+010.23)分別高出3.15%與3.8%。且在溢流壩段，揚(yáng)壓力明顯比非溢流壩段的高。分析原因可知，由于溢流壩段表面始終處于泄水飽和狀態(tài)，致使?jié)B水會(huì)沿著基本無(wú)阻力的三級(jí)配碾壓混凝土的層、縫面從大壩下游面逸出。如溢流壩段表面長(zhǎng)年累月遭受滲透水流的侵蝕，泄流部位就會(huì)出現(xiàn)老化脫落的現(xiàn)象，從而破壞溢流壩段表面保護(hù)層，也會(huì)降低大壩的耐久性，從而增加碾壓混凝土壩層面的滲透通道[14- 16]。這種現(xiàn)象在一些嚴(yán)寒地區(qū)可能會(huì)造成更加惡劣的影響，大壩下游面的滲水會(huì)對(duì)下游面產(chǎn)生嚴(yán)重的凍融作用，使其安全性進(jìn)一步降低。因此，基于這種現(xiàn)象，建議溢流壩段表面應(yīng)采取相應(yīng)的防滲處理，減少大壩失事風(fēng)險(xiǎn)。

表2 滲流計(jì)算結(jié)果匯總表 單位:m

5 結(jié)論

(1)在碾壓混凝土壩不同滲流計(jì)算工況下得到揚(yáng)壓力水頭線均符合一般規(guī)律，且變化水位對(duì)碾壓混凝土重力壩揚(yáng)壓力的影響較為明顯，隨著水位的增加，壩體與壩基的揚(yáng)壓力均出現(xiàn)了不同程度的增大。

(2)正常蓄水位和校核洪水位2種工況的各典型橫斷面建基面揚(yáng)壓力水頭分布規(guī)律具有相似性，順河向從上游到下游揚(yáng)壓力水頭總體呈減小的趨勢(shì)。在非溢流壩段，壩體與壩基的揚(yáng)壓力水頭線相差較大；但在溢流壩斷面揚(yáng)壓力水頭線變化趨勢(shì)相同。

(3)大壩防滲和排水設(shè)施完善，且防滲帷幕滲透系數(shù)小于5.0×10-7cm/s，防滲帷幕的防滲效果表現(xiàn)良好，壩體及壩基滲流變化規(guī)律基本正常。非溢流壩段設(shè)置防滲帷幕和排水孔降低揚(yáng)壓力的作用明顯，中間溢流壩段設(shè)置防滲墻、帷幕及排水孔降低揚(yáng)壓力的作用較好，壩基揚(yáng)壓力未超過(guò)設(shè)計(jì)值。