王偉聰

（浙江省圍海建設(shè)集團(tuán)股份有限公司,浙江 寧波 315100）

1 前言

壩體材料的選擇關(guān)乎壩體的可儲(chǔ)水量和安全穩(wěn)定,高性能材料修筑困難,增加工程造價(jià)和設(shè)計(jì)投入,選擇與水庫設(shè)計(jì)水位相符的材料進(jìn)行壩體設(shè)計(jì)是合理選擇。范超等[1-2]對(duì)魚枧水庫工程中所采用的瀝青砼材料進(jìn)行了配比研究,根據(jù)不同的級(jí)配、不同的油石含量、不同配比填料進(jìn)行試驗(yàn)后最終選擇瀝青砼材料。蔡正銀等[3]根據(jù)自然力作用下形成的堰塞堆積體特性,通過數(shù)值分析手段,分析了堰塞體不同材料配比時(shí)的水力特性后,得出不同結(jié)構(gòu)堆積體條件下的水力特性,為相應(yīng)的災(zāi)害防治提供了科學(xué)支撐。李澤等[4-5]對(duì)病險(xiǎn)土石壩的特性進(jìn)行了研究,采用兩種現(xiàn)代理論手段結(jié)合有限元數(shù)值模擬技術(shù)和蒙特卡洛方法對(duì)病險(xiǎn)土石壩進(jìn)行了可靠度分析,應(yīng)用于云南一病險(xiǎn)土石壩中,為該壩病險(xiǎn)治理提供了極大的計(jì)算量化的理論支撐。朱亞林等[6-7]研究了土工格柵加固高土石壩時(shí)在地震作用下的性能表現(xiàn),采用了FALC 3D軟件進(jìn)行了計(jì)算分析,并對(duì)軟件中內(nèi)置的M-C模型進(jìn)行適當(dāng)修正,最終得出土工格柵在高土石壩中的植入能夠起到有效的加固作用,為高土石壩采用土工格柵進(jìn)行加固的效果提供了可靠驗(yàn)證。

本文對(duì)壩體的材料選擇問題利用Geo-studio軟件進(jìn)行建模計(jì)算數(shù)值分析,首先將壩體輪廓在軟件中進(jìn)行建模,然后將壩體材料賦予不同的材料參數(shù),設(shè)置好相關(guān)邊界條件后,進(jìn)行計(jì)算分析,通過對(duì)計(jì)算后得到的水力特征圖和表的適當(dāng)解釋,得出相應(yīng)不同材料下的變化規(guī)律,為該壩體修筑時(shí)材料的選擇提供量化依據(jù)。

2 工程地質(zhì)

擬建工程為一水庫堤壩,位于昆明市,是昆明市汛期防洪災(zāi)害預(yù)防的支撐性工程,壩體計(jì)劃采用兩種不同材料進(jìn)行修筑。由于兩種材料的相關(guān)水力特性未獲得,目前兩種材料的最終確定有待商榷,一種材料是采購的碎石粘砂土材料,另一種是就地取材的崩滑堆積體材料,兩種材料的各項(xiàng)力學(xué)物理性質(zhì)具體指標(biāo)參見表1,壩體的設(shè)計(jì)剖面見圖1,計(jì)劃水庫儲(chǔ)水水位為8 m。

圖1 水庫堤體剖面

表1 擬采用兩種材料的參數(shù)

3 Geo-studio軟件介紹

Geo-studio軟件由于自動(dòng)化程度高,建模迅速,相關(guān)屬性和賦值設(shè)置簡(jiǎn)潔,模擬效果良好而在巖土工程中特別是壩體滲流分析中得到大量應(yīng)用,其Seep模塊更是在負(fù)孔隙水壓力的獲得上相比其它數(shù)值計(jì)算軟件有著特殊優(yōu)勢(shì)。

4 水庫壩體模型創(chuàng)建

根據(jù)圖1中所示的水庫壩體實(shí)體模型在Geo-studio中進(jìn)行多邊形繪制區(qū)域建模,最終創(chuàng)建的數(shù)值計(jì)算分析模型見圖2,通過輸入表1中的材料特性參數(shù)設(shè)置崩滑堆積土和碎石粘砂土的材料特性,首先進(jìn)行其中一種材料的計(jì)算,獲得計(jì)算結(jié)果后,將相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果導(dǎo)出,在進(jìn)行另一種材料的計(jì)算,獲得相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果后,隨之將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)出。

圖2 水庫壩體模型

5 模擬結(jié)果

下文分別分析在采用崩滑堆積土和碎石粘砂土材料情況下壩體的水力特性,主要分析水流流動(dòng)經(jīng)過壩體時(shí)的路徑,此外還包括壩體內(nèi)的總水頭分布特征和壩中截面的總水頭特征,通過這些特征的分析比較,確定采用哪種材料進(jìn)行壩體的修筑。

（1）崩滑堆積土材料

采用崩滑堆積土材料進(jìn)行壩體的填充時(shí),壩體內(nèi)的相關(guān)水力特征圖分布特點(diǎn)見圖3,水流整體向右下角運(yùn)動(dòng),主要受到水流自身重力和滲透力的作用,總水頭在左邊界處的變化緩慢,降低較小越往右側(cè)降低越大,以底部邊界為參考,左邊界水流運(yùn)動(dòng)約7 m時(shí),總水頭降低1 m,右邊界水流運(yùn)動(dòng)不超過1 m時(shí),總水頭即降低1 m。

圖3 壩體內(nèi)水力特征

圖4所示是崩滑堆積土材料的壩體計(jì)算獲得的正中位置的總水頭,由此可見,壩體正中位置的總水頭最大值約為6.42 m,壩體正中位置的總水頭最小值約為6.28 m,整體由下而上逐漸變大,曲線由下而上略呈S型過渡。

圖4 壩體正中位置的總水頭

（2）碎石粘砂土材料

采用碎石粘砂土材料進(jìn)行壩體的填充時(shí),壩體內(nèi)的相關(guān)水力特征圖分布特點(diǎn)見圖5,水流整體向右下角運(yùn)動(dòng),主要受到水流自身重力和滲透力的作用,總水頭在左邊界處的變化緩慢降低較小,越往右側(cè)降低越大,以底部邊界為參考,左邊界水流運(yùn)動(dòng)約7 m時(shí),總水頭降低1 m,從等值線上部形態(tài)可以看出,水流在該碎石粘砂土材料中所受到的土體粘滯阻力相比于崩滑堆積土材料較大,右邊界水流運(yùn)動(dòng)不超過1 m時(shí),總水頭即降低1 m,相比于圖3 中的崩滑堆積土材料的坡降更為迅速,同樣說明水流在該碎石粘砂土材料中所受到的土體粘滯阻力相比于崩滑堆積土材料較大。

圖5 碎石粘砂土材料壩體內(nèi)水力特征

圖6所示是碎石粘砂土材料的壩體計(jì)算獲得的正中位置的總水頭,由此可見,壩體正中位置的總水頭最大值約為4.86 m,壩體正中位置的總水頭最小值約為3.87 m,明顯小于采用崩滑堆積土材料的壩體正中位置的總水頭值,整體由下而上逐漸變大,曲線由下而上略呈S型過渡。

圖6 碎石粘砂土材料壩體正中總水頭

6 結(jié)論

（1）水流在碎石粘砂土材料中所受到的土體粘滯阻力相比于崩滑堆積土材料較大。

（2）采用碎石粘砂土材料的壩體計(jì)算獲得的正中位置的總水頭明顯小于采用崩滑堆積土材料的壩體正中位置的總水頭值。

（3）盡管采用碎石粘砂土材料進(jìn)行壩體修筑價(jià)格昂貴,但是基于安全考慮,建議該壩體修筑采用碎石粘砂土材料。