麻海花

(當(dāng)涂縣水利局 沿江水利管理服務(wù)中心,安徽 馬鞍山 243100)

0 引 言

目前,隨著我國混凝土預(yù)制和現(xiàn)澆強(qiáng)度的提高,蓄水工程壩體均呈現(xiàn)良好的力學(xué)和水力學(xué)耦合性能,但在工程修建完成后,沿壩體產(chǎn)生于壩基中的繞流現(xiàn)象極大地威脅著工程安全。為此,許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。魏文禮等［1］針對丁壩繞流現(xiàn)象,綜合運(yùn)用氣液兩相和大渦模型進(jìn)行三維水力特性數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明,通過設(shè)置平行導(dǎo)流墻,且將其長度設(shè)置為與丁壩壩軸線長度一致的措施,能夠?qū)Ξa(chǎn)生的漩渦現(xiàn)象起到較好的限制作用。蔣胡玲［2］等研究了不同結(jié)構(gòu)體對水流繞流現(xiàn)象的影響,結(jié)果表明,進(jìn)占比相同時(shí),梯形結(jié)構(gòu)體、方形丁壩、堆積體對水流流態(tài)影響程度依次減小。張博等［3］采用有限元方法,針對羊曲水電站堆石壩開展了三維滲流模擬分析。結(jié)果表明,當(dāng)前設(shè)計(jì)中針對壩體與壩基的計(jì)劃防滲手段能夠滿足工程設(shè)計(jì)要求。洪石笙等［4］提出了有關(guān)礦山截污庫壩滲漏現(xiàn)象的一系列工程治理措施,滿足了庫壩防滲的設(shè)計(jì)閾值,起到了有效改善滲漏現(xiàn)象的良好效果。姚振鋒等［5］針對極端氣候條件下引起的潰壩現(xiàn)象造成的直接災(zāi)害進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,潰壩時(shí)水流滑落形成凸包形態(tài)的潰壩波是導(dǎo)致建筑物破壞的主要原因。

由以上分析可知,目前的研究成果多集中于壩體及壩基滲流問題,且部分研究成果對水流沿壩體在壩基中的繞流現(xiàn)象已有所揭示。本文以某擬建大壩為研究對象,采用MIDAS/GTS進(jìn)行壩基水流的三維數(shù)值模擬研究,通過對比4種工況(缺失止水帷幕、止水帷幕未穿過風(fēng)化巖體、止水帷幕完全穿越風(fēng)化巖體)條件下的滲流速度變化特征,提出較為合理的止水帷幕設(shè)置位置和設(shè)計(jì)長度。

1 工程概況

某擬建水庫設(shè)計(jì)蓄水深度25m,大壩采用鋼筋混凝土重力式壩,壩高為30m。在混凝土壩體下部的基礎(chǔ)主要是花崗巖的風(fēng)化巖體,靠近壩體的表層巖土體為風(fēng)化花崗巖巖體,向下依次為微風(fēng)化和新鮮花崗巖體,擬建工程模型見圖1。

圖1中,H為止水帷幕深度;h為設(shè)置止水帷幕處弱風(fēng)化巖層厚度,h=10.5m。巖土體的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)及其水力特性見表1。

表1 地層參數(shù)

2 數(shù)值模型建立

采用MIDAS/GTS軟件,按照上述擬建工程模型進(jìn)行建模分析。通過網(wǎng)格劃分,將構(gòu)建的模型劃分為具有6 668個(gè)的單元體、包含節(jié)點(diǎn)6 601個(gè)的數(shù)值計(jì)算模型。按照試驗(yàn)所得各土層物理力學(xué)參數(shù),對各層巖土體進(jìn)行屬性設(shè)置和賦值,包括滲透系數(shù)等相關(guān)水力學(xué)參數(shù)的設(shè)置,計(jì)算模型采用摩爾-庫倫模型。

數(shù)值計(jì)算模型圖見圖2。

圖2 計(jì)算模型圖

邊界條件設(shè)置:設(shè)計(jì)蓄水深度為25m,壩體直角邊為上游蓄水側(cè),設(shè)計(jì)水頭為25m,梯形邊為下游零水位條件,采用滲流邊界,分析計(jì)算在蓄水25m深度時(shí),止水帷幕如圖2所示設(shè)置位置不同設(shè)計(jì)深度(H=0、5、15、20m)時(shí),壩體下方巖土體中的滲流情況,以確定合理的設(shè)計(jì)止水帷幕深度,模型底部設(shè)置為不透水邊界。

3 計(jì)算結(jié)果分析

為了對不同止水帷幕設(shè)置條件下的防水效果進(jìn)行分析,分別進(jìn)行0、5、15、20m止水帷幕設(shè)置深度條件下的壩基巖土體滲流速度的求解計(jì)算。通過MIDAS/GTS軟件自帶的導(dǎo)出圖形選項(xiàng),選擇相應(yīng)滲流速度參數(shù)的計(jì)算結(jié)果云圖進(jìn)行導(dǎo)出。

3.1 不設(shè)置止水帷幕

為了對不設(shè)置止水帷幕條件下壩基巖土體的滲流特征進(jìn)行分析,繪制0m止水帷幕設(shè)置深度條件下的壩基巖土體的滲流速度場,見圖3。

圖3 無止水帷幕滲流速度場

由圖3可知,不設(shè)置止水帷幕條件下最大滲流速度約1.148m/d,不能滿足工程要求,需進(jìn)行止水帷幕的設(shè)置。

3.2 止水帷幕5m

為了研究止水帷幕深度為5m的滲流速度變化,導(dǎo)出該條件下的滲流速度場,見圖4。

圖4 設(shè)置長5m止水帷幕滲流速度場

由圖4可知,最大滲流速度約1.476m/d,而邊坡下部巖土體中的滲流速度基本介于2.46×10-1～8.61×10-1m/d,二者明顯大于不設(shè)置止水帷幕的最大滲流速度1.148m/d及其下部巖土體中的滲流速1.91×10-1～7.66×10-1m/d。因此,該壩基巖土體止水帷幕5m深度條件下,不能滿足工程要求。

3.3 止水帷幕15m

導(dǎo)出15m止水帷幕設(shè)置深度條件下的滲流速度場,見圖5。

圖5 設(shè)置長15m止水帷幕滲流速度場

由圖5可以得出,最大滲流速度約為1.18×10-1m/d,其下部巖土體中的滲流速度為1.91×10-1～7.66×10-1m/d,下部巖土體中的滲流速度明顯增大。

3.4 止水帷幕20m

為了分析止水帷幕穿越壩基中的風(fēng)化花崗巖巖土層后延伸更長距離條件下的滲流速度變化,導(dǎo)出20m止水帷幕設(shè)置深度條件下的滲流速度場,見圖6。

圖6 設(shè)置長20m止水帷幕滲流速度場

由圖6可知,最大滲流速度約5.278×10-2m/d,而邊坡下部巖土體中的滲流速度顯著減小。表明該壩基巖土體在設(shè)置止水帷幕20m深度條件下,工程防滲效果較好。

4 結(jié) 論

本文依托某大壩工程,基于MIDAS/GTS軟件進(jìn)行了三維滲流模擬分析。結(jié)果表明,不設(shè)置止水帷幕的壩基不能滿足防滲要求;加大止水帷幕設(shè)置深度能夠使截水防滲漏效果顯著提高,但隨著止水帷幕深度的增加,帷幕下部土體中的滲流速度明顯增大;當(dāng)止水帷幕設(shè)置深度為20m時(shí),最大滲流速度約為5.278×10-2m/d,可以滿足防滲要求。因此,選擇深20m止水帷幕的止水方案較為合理。研究成果可為類似工程地質(zhì)條件下的壩基防滲設(shè)計(jì)提供參考與借鑒。