劉 楊

（深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司,廣東 深圳 518100）

1 前言

三峽水利樞紐工程的興建為我國(guó)水利工程建設(shè)提供了標(biāo)準(zhǔn)的教科書(shū)式的實(shí)體工程參考樣板,也充分證明了混凝土重力壩基在類(lèi)似水壩等蓄水工程中所發(fā)揮的重要作用。這一工程實(shí)例的長(zhǎng)期穩(wěn)定存在,促進(jìn)了研究人員對(duì)混凝土壩基的進(jìn)一步廣泛深入研究,許多研究人員對(duì)重力壩開(kāi)展了具有工程實(shí)際意義的研究,溫立峰等[1]對(duì)混凝土形式的防滲墻對(duì)壩基滲流的控制作用特點(diǎn),通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析的方法進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明：混凝土形式的防滲墻在眾多的透水壩基中的防滲效果明顯,對(duì)可壓縮壩基的防滲效果也較為顯著。李樹(shù)武等[2]對(duì)混凝土壩基在長(zhǎng)期不利的地下水環(huán)境的侵蝕作用下的力學(xué)性質(zhì)變化特點(diǎn)進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明：混凝土力學(xué)性質(zhì)對(duì)大壩安全穩(wěn)定構(gòu)成直接重要影響,在此類(lèi)不利的水環(huán)境下,應(yīng)對(duì)壩基混凝土進(jìn)行長(zhǎng)期規(guī)律性的檢測(cè)。陳會(huì)芳等[3]通過(guò)仿真模擬手段對(duì)溪洛渡水電站的大體積混凝土置換大量強(qiáng)風(fēng)化帶時(shí)的混凝土內(nèi)的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)變化進(jìn)行了研究,仿真模擬結(jié)果表明：通過(guò)采取適當(dāng)?shù)臏乜卮胧┠軌驅(qū)崿F(xiàn)有效改善由大體積混凝土帶來(lái)的應(yīng)力狀態(tài)不佳導(dǎo)致的裂紋大量呈現(xiàn)問(wèn)題。朱伯芳等[4]通過(guò)理論分析的方法研究了允許溫差對(duì)混凝土壩力學(xué)性質(zhì)的影響。理論分析結(jié)果表明：不同形式的溫差是影響壩基力學(xué)性能最重要的指標(biāo),正臺(tái)階形的由于其他類(lèi)型的溫差形式,施工過(guò)程中應(yīng)促進(jìn)此類(lèi)溫差形式的出現(xiàn)。余波等[5]通過(guò)采用多種方法糅合的綜合分析手段,重力式中的壩基防滲結(jié)構(gòu)體的老化問(wèn)題進(jìn)行了指標(biāo)表征研究。研究結(jié)果表明：指示防滲結(jié)構(gòu)體老化的指標(biāo)有3 個(gè)：第一個(gè)為析鈣量、第二個(gè)為T(mén)DS 值、第二個(gè)為pH 值,這三個(gè)指標(biāo)都可以用來(lái)指示防滲帷幕的老化機(jī)制。

由于混凝土壩基的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),即剛度大、抗變形能力強(qiáng),強(qiáng)度較高,因此,在水壩等水利工程中的應(yīng)用十分普遍。然而,對(duì)于混凝土壩體中水流的滲透特點(diǎn)和壩體內(nèi)水流的水力特征研究較少,本文通過(guò)一實(shí)體壩基工程研究蓄水水位條件下,壩基承載力和滲流特性的特點(diǎn)。

2 工程概況

該實(shí)體水壩設(shè)計(jì)剖面見(jiàn)圖1,構(gòu)成水壩的材料主要是混凝土,而混凝土強(qiáng)度為C50 標(biāo)準(zhǔn),由砂土、水泥、和石子混合攪拌而成,同時(shí)添加一定量緩凝劑,以免運(yùn)輸過(guò)程中出現(xiàn)粘度過(guò)大不易攪出的現(xiàn)象,砂土為就近取材的河沙,石子就地取材的石子,水泥采用同力水泥,標(biāo)號(hào)為42.5,砂土、水泥、和石子及混凝土材料的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

圖1 壩基橫剖面圖

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

按照實(shí)體壩基橫剖面圖在Geostudio 軟件的seep/w 模塊構(gòu)建計(jì)算用壩基模型,首先建立坐標(biāo)軸,幫助對(duì)壩基坡度設(shè)置的點(diǎn)的定位,隨后,采用繪制多邊形的方法構(gòu)建壩基輪廓,再根據(jù)表1 中的材料物理力學(xué)參數(shù)設(shè)置相應(yīng)的材料,這一步主要通過(guò)輸入材料命令來(lái)建立,完成后,通過(guò)將材料賦給相應(yīng)的區(qū)域,實(shí)現(xiàn)壩基的建模,而后建立各個(gè)邊界的力學(xué)和位移邊界條件,設(shè)置水位面,完成后進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)壩基設(shè)計(jì)的混凝土參數(shù),該壩基采用C50標(biāo)號(hào)砼施工,壩基創(chuàng)建完成后見(jiàn)圖2,混凝土加工采用集中攪拌站加工,施工方法為從下至上的順層碾壓方法,單層碾壓厚度為0.15 m 厚,通過(guò)這種由下至上的碾壓施工,最后施工完成后的壩基截面和數(shù)值模擬中用的計(jì)算模型一致,為梯形形式的混凝土水壩,截面自身慣性矩（IY 和IZ）為7.89×109m4,底寬22 m,頂寬6 m,壩基高12 m。

圖2 數(shù)值計(jì)算用壩基模型

3.2 土條應(yīng)力及強(qiáng)度

經(jīng)過(guò)計(jì)算,結(jié)果輸出圖見(jiàn)圖3,圖中所示的水力流線(xiàn)（紅色箭頭）是實(shí)際放大了50 倍的效果。X 方向水力傳導(dǎo)度隨著基質(zhì)吸力的變化過(guò)程見(jiàn)圖4。

圖3 數(shù)值模擬結(jié)果圖

根據(jù)圖3 給出的數(shù)值計(jì)算結(jié)果,前文已提及,水力流線(xiàn)結(jié)果圖是經(jīng)過(guò)放大處理后呈現(xiàn)的狀態(tài),實(shí)際的水力流線(xiàn)極小,如果用實(shí)際的水力流線(xiàn),而不進(jìn)行放大,圖中壩體內(nèi)的將呈現(xiàn)為點(diǎn)狀,只有最右下角的流線(xiàn)能夠看出長(zhǎng)度和箭頭,由此可見(jiàn),該設(shè)計(jì)混凝土壩基工程在設(shè)計(jì)蓄水水位下十分穩(wěn)定,且有效阻隔了水流的重力運(yùn)動(dòng),起到了工程蓄水效果。水力流線(xiàn)結(jié)果說(shuō)明只有在右側(cè)最下端位置處才有滲流失穩(wěn)的可能性存在,且該可能性極小。

由圖4 所示X 方向的水力傳導(dǎo)度隨著壩體中的基質(zhì)吸力變化特征曲線(xiàn)可知,隨著基質(zhì)吸力的增大,水力傳導(dǎo)度逐漸降低,最開(kāi)始降低緩慢,經(jīng)過(guò)一定值后降低越來(lái)越快,曲線(xiàn)的斜率也逐漸由小增大,水力傳導(dǎo)度最大值為9.1×10-6m/s,最小值約為1.0×10-9m/s,壩基混凝土基質(zhì)吸力的最大值約為100 kPa。

由圖3 和圖4 可以看出,該蓄水水利工程設(shè)計(jì)壩基形式合理,采用該壩基,水庫(kù)中的水能夠有效保持,同時(shí)壩基能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)該實(shí)體蓄水水利工程混凝土設(shè)計(jì)壩基的計(jì)算和水力求解,主要獲得以下結(jié)論：

（1）壩基有效阻隔了水庫(kù)內(nèi)水流的重力運(yùn)動(dòng),只有在壩基右側(cè)最下端位置處才有滲流失穩(wěn)的可能性存在,且該失穩(wěn)可能性極小。

（2）X 方向的水力傳導(dǎo)度隨著壩體中的基質(zhì)吸力增大逐漸降低,最開(kāi)始降低緩慢,隨后逐漸增大。

（3）該混凝土壩基設(shè)計(jì)形式合理,采用該壩基,將使該蓄水工程水庫(kù)中能夠有效保持正常的水位狀態(tài)。