曹文逸

(廣東東水工程項(xiàng)目管理有限公司，廣東 東莞 523000)

0 前言

水利工程的大壩主要用于蓄水發(fā)電、調(diào)節(jié)水量分配、防治水災(zāi)等方面，其截面形式常設(shè)計(jì)成一邊直角邊，另一邊為斜邊的形式，該種類型的截面設(shè)計(jì)形式有利于大壩既實(shí)現(xiàn)了節(jié)省占地和同時(shí)又起到有效蓄水工程，不影響大壩預(yù)期性能的發(fā)揮，因此在大壩工程設(shè)計(jì)中，被廣泛采用。相關(guān)學(xué)者對各類型大壩的蓄水后的預(yù)期性能，開展了大量研究。鄧銘江[1]采用系分析方法對附近地震活動(dòng)給卡拉貝利水利工程帶來的危害進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：樞紐所在區(qū)域地震的強(qiáng)度對當(dāng)前大壩安全性存在高震災(zāi)害威脅，應(yīng)采取適當(dāng)措施對大壩進(jìn)行加固處理。李磊等[2-3]對大壩的建設(shè)造成的附近地區(qū)可能的生態(tài)環(huán)境問題進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明：下坂地水利樞紐工程的順利修建，既能夠促進(jìn)區(qū)域地區(qū)的水量供應(yīng)，又能夠?qū)崿F(xiàn)對相關(guān)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的合理維護(hù)。簡興昌等[4]對亭子口大壩的混凝土修筑的過程方案進(jìn)行了研究，以便工程如期交付。研究結(jié)果表明：采用碾壓混凝土分層碾壓并與常態(tài)混凝土相結(jié)合鋪筑混凝土壩基有利于工程節(jié)點(diǎn)的順利完工。尚澤宇等[5，6]通過現(xiàn)場實(shí)測大壩滲漏情況，對治理后的大壩滲漏水情況進(jìn)行了分析討論。結(jié)果表明：對運(yùn)營中的大壩橫縫進(jìn)行化學(xué)灌漿能夠有效防治大壩橫縫滲漏。黃揚(yáng)一等[7]對高海拔條件下混凝土施工的方法和施工效果進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：高海拔地區(qū)如西藏旁多水利樞紐大壩類的大體積混凝土的加工及施工，主要應(yīng)從源頭問題進(jìn)行處理，以解決澆筑后的混凝土易出現(xiàn)體積膨脹的現(xiàn)象。王琳等[8-9]對各類防滲措施綜合運(yùn)用條件下小浪底大壩的滲漏狀況進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：圍堰及圍堰前的天然鋪蓋、圍堰內(nèi)鋪蓋等多種防水措施的綜合防水體系的構(gòu)成，使得大壩在10余年中未發(fā)生滲流現(xiàn)象，為類似工程大壩的防滲措施選擇提供了幫助。李志堅(jiān)等[10-11]研究了皂市大壩工程的施工特點(diǎn)。研究結(jié)果表明：通過監(jiān)理制度中多種綜合措施的聯(lián)合實(shí)施，有效應(yīng)對和解決了大壩施工工期緊、強(qiáng)度高、地質(zhì)條件艱難等各項(xiàng)難題。

上述對大壩施工中的各類問題及運(yùn)營中的滲漏問題進(jìn)行了大量研究，表明學(xué)者們對壩體施工質(zhì)量的保證和施工后大壩的安全運(yùn)營十分關(guān)切，這也是大壩的修筑目的得以實(shí)現(xiàn)的保證，此外，大壩的截面形式的選擇對大壩的安全穩(wěn)定同樣重要。本文依托江蘇省常熟市的一個(gè)大壩工程進(jìn)行了峰值蓄水水位條件下的大壩截面形式研究，采用Flac3D軟件對一端為直角邊，一端為變坡度截面形式的大壩性能進(jìn)行了研究。

1 工程概況

該實(shí)體水利工程大壩，位于我國廣東省東莞市，大壩為重力式混凝土大壩，一端為直角邊，一端為變坡度截面設(shè)計(jì)，該大壩的修建對于東莞市際范圍內(nèi)的水量配給有重要作用，大壩內(nèi)水流的微觀運(yùn)動(dòng)，對于大壩的安全穩(wěn)定至為關(guān)鍵，大壩橫斷面如圖1所示，大壩直角邊高20 m，大壩底寬37 m；大壩采用分層鋪筑施工，大壩整體由4種材料組成，從下至上主要為C50混凝土、C45混凝土、C40混凝土、C35混凝土，各層材料的物理力學(xué)性能如表1所示。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

采用Geo-studio軟件進(jìn)行建模十分便捷，通過多邊形建模繪制圖形的方法將模型真git的外輪廓繪出，而后根據(jù)圖1中所示大壩的橫斷面圖中各層材料的高度，將建模后的大壩進(jìn)行割刀切割，將整體多邊形輪廓從上至下畫劃分成四層，通過設(shè)置材料命令的方式，增加相應(yīng)的各層材料，最后完成的大壩模型圖，如圖2所示。

圖1 實(shí)體大壩橫斷面圖

圖2 構(gòu)建的大壩模型

2.2 大壩的水力分布

為了全面了解該種截面形式的大壩的防水和蓄水性能，以下將分別對大壩內(nèi)的整體水壓變化、大壩內(nèi)的整體水力特征、大壩的水流水力特性、水流傳導(dǎo)率特征進(jìn)行分析，通過Geostudio進(jìn)行計(jì)算獲得結(jié)果，導(dǎo)出上述結(jié)果圖，其中，大壩內(nèi)的整體水壓變化圖如圖3所示；大壩內(nèi)的整體水力特征圖，如圖4所示；大壩的水流水力特性圖，如圖5所示；以及如圖6所示，水流傳導(dǎo)率特征圖。以下將分別對這些大壩的性能圖展開討論。

2.2.1 大壩內(nèi)的水壓變化

為了研究大壩壩基混凝土中的具體水壓變化，繪制了大壩內(nèi)的水壓變化云圖，如圖3所示。

圖3 大壩等水壓云圖(單位：pa)

如圖3所示，設(shè)計(jì)好的計(jì)算模型經(jīng)過力學(xué)和滲流耦合計(jì)算后，混凝土壩基內(nèi)的水壓從上至下逐漸增大，最上層水壓為-60 pa，從壩基右端可以看出，該水壓分布區(qū)內(nèi)的大壩截面占據(jù)了約1.1 m高度范圍，此后經(jīng)過約2 m高度逐漸增大至-40 pa的孔隙水壓力，增大速度為-10 pa/m，經(jīng)過該速度的增大過程，逐漸增大至0 pa位置，該位置處于距離最下端約0.2 m高度處，可見，該混凝土壩基整體達(dá)到了防止?jié)B水的要求，同時(shí)可以看出，未來的運(yùn)營期，該壩基較易出現(xiàn)滲漏的位置為壩基右下端位置，因此，工程設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)加強(qiáng)該部位的防水。

2.2.2 大壩內(nèi)的水力特征

經(jīng)過了耦合計(jì)算后，壩體內(nèi)的水流分布矢量圖，如圖4所示。

圖4 大壩的滲流特征圖

根據(jù)圖4所示，設(shè)計(jì)好的計(jì)算模型經(jīng)過力學(xué)和滲流耦合計(jì)算后，水流只在混凝土壩基左側(cè)位置處進(jìn)行從上至下的滲流運(yùn)動(dòng)，從壩體左側(cè)進(jìn)入，又從壩體下端左側(cè)面流出，而從壩體最下側(cè)平行地層線，只有少量的流體向右側(cè)滲流，至壩體右側(cè)最下端，說明混凝土壩基整體達(dá)到了防止?jié)B水的要求，同時(shí)可以看出，未來的運(yùn)營期，該壩基較易出現(xiàn)滲漏的位置為壩基右下端位置，因此，工程設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)加強(qiáng)該部位的防水。

2.2.3 大壩的水流水力特性

由圖5所示設(shè)計(jì)好的計(jì)算模型經(jīng)過力學(xué)和滲流耦合計(jì)算后，混凝土壩基內(nèi)的水壓與體積含水量之間的關(guān)系，當(dāng)體積含水量減小時(shí)，壩體內(nèi)的水壓也隨之減小，近似成指數(shù)函數(shù)形式關(guān)系，開始減小趨勢緩慢，當(dāng)體積含水量為40%時(shí)，水壓約為0 Kpa；當(dāng)體積含水量為30%時(shí)，水壓減小至-80 Kpa；當(dāng)體積含水量為20%時(shí)，水壓減小至-220 Kpa；減小速率逐漸增大。當(dāng)體積含水量從20%降至10%時(shí)，水壓從-220 Kpa迅速減小至-1 000 Kpa，呈現(xiàn)陡降趨勢。

圖5 體積含水率與水壓關(guān)系圖

圖6 水力傳導(dǎo)度與水壓關(guān)系圖

2.2.4 水流傳導(dǎo)率特征

由圖6所示設(shè)計(jì)好的計(jì)算模型經(jīng)過力學(xué)和滲流耦合計(jì)算后，混凝土壩基內(nèi)的水壓與X方向水力傳導(dǎo)度之間的關(guān)系，當(dāng)水壓約為0 Kpa時(shí)，水流在X方向的水力傳導(dǎo)度約為1e-6m/s；當(dāng)水壓約為-200 Kpa時(shí)，水流在X方向的水力傳導(dǎo)度約為5e-9m/s；當(dāng)水壓約為-400 Kpa時(shí)，水流在X方向的水力傳導(dǎo)度約為6e-10m/s；當(dāng)水壓約為-600 Kpa時(shí)，水流在X方向的水力傳導(dǎo)度約為1e-10m/s；減小速率逐漸增大。

3 結(jié)語

(1)混凝土壩基內(nèi)的水壓從上至下逐漸增大，最小水壓為-60 pa，以速度為-10 pa/m逐漸增大，至0 pa位置，該位置處于距離最下端約0.2 m高度處。

(2)混凝土壩基內(nèi)的水壓與體積含水量之間近似成指數(shù)函數(shù)關(guān)系形式，當(dāng)體積含水量為40%時(shí)，減小趨勢緩慢；當(dāng)體積含水量減小至20%時(shí)，減小速率逐漸增大。

(3)該混凝土壩基整體達(dá)到了防止?jié)B水的要求，未來的運(yùn)營期，該壩基較易出現(xiàn)滲漏的位置為壩基右下端位置，因此，工程設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)加強(qiáng)該部位的防水。