湯小紅

（江西省水利水電建設(shè)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330200）

土石壩水庫(kù)是水利工程中一種重要的水工建筑物，對(duì)防洪蓄水工程起著重要的作用。然而，受施工工藝、壩體材料和地質(zhì)活動(dòng)的影響[1-3]，土石壩在運(yùn)營(yíng)期間壩體會(huì)出現(xiàn)材料軟化發(fā)生滲流現(xiàn)象，而過(guò)大的滲流會(huì)引發(fā)土石壩內(nèi)部發(fā)生破壞，增加潰壩風(fēng)險(xiǎn)，因此對(duì)土石壩運(yùn)營(yíng)期的滲流情況進(jìn)行研究具有重要意義[4-6]。

數(shù)值模擬方法是近年來(lái)分析大壩滲流的常用方法，不但經(jīng)濟(jì)成本低，且數(shù)值結(jié)果具有較好的可靠性，因此是國(guó)內(nèi)外分析巖土問(wèn)題的主要手段之一。當(dāng)前通常采用數(shù)值模擬的方法包括有限元和有限差分法。吐?tīng)栠d那依·托乎提[7]通過(guò)增大水力傳導(dǎo)率和水力梯度，采用有限元方法模擬黏土與混凝土結(jié)構(gòu)界面的異常滲流；房清清[8]為評(píng)估大壩在各水位條件下的滲流量，先使用PLAXIS 3D對(duì)大壩進(jìn)行了建模分析，之后在相同條件下使用SEEP/W 2D和3D分析方法對(duì)邊坡進(jìn)行滲流分析；嚴(yán)雷光[9]使用COMSOL Multiphysics 軟件研究分析正常蓄水位和庫(kù)水位驟降至死水位過(guò)程中的壩體滲流和穩(wěn)定性；溫青山[10]利用MIDAS GTS 有限元軟件建立數(shù)值模型，分析校核水位、正常蓄水位、死蓄水位3種工況下滲流穩(wěn)定性。李宏偉[11]和李鵬飛[12]采用ANSYS等二維有限元方法研究了水庫(kù)大壩滲流穩(wěn)定性。

本文在目前研究的基礎(chǔ)上，以土石壩工程為例，考慮了水位變化和空氣溫度變化對(duì)大壩滲流和壩體溫度的影響，采用多孔介質(zhì)模型中的熱傳導(dǎo)、對(duì)流和擴(kuò)散方程，模擬了變水位和變溫度非穩(wěn)定邊界條件下壩體滲流和溫度梯度變化規(guī)律，研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

1 工程概況

本次研究的大壩位于江西省，所在河段河谷狹窄，比降較陡，兩岸基本對(duì)稱，沖溝發(fā)育，地形破碎。兩岸巖層產(chǎn)狀較陡，兩岸坡多為斜向邊坡。壩體填筑標(biāo)準(zhǔn)為墊層區(qū)孔隙率18%，過(guò)渡區(qū)孔隙率21%，主堆石區(qū)孔隙率25%，次堆石區(qū)孔隙率22%；鋪筑厚度22～45 cm；墊層料考慮采用人工機(jī)制砂石混合料，過(guò)渡料及堆石料直接由料場(chǎng)爆破獲得。泄洪建筑物采用開(kāi)敞式溢洪道，堰高0.8 m，R=0.54 m，R1=2.2 m，R2=2.4 m，下游與坡度為1∶100的明渠段相接。在堰頂下游側(cè)設(shè)置一人行橋與大壩壩頂連通，橋面寬4.0 m、高程1 325.0 m。人行橋?yàn)?跨布置，每跨凈寬5.3 m，中間橋墩厚1.2 m。在泄水槽底板每隔1.8 m高差設(shè)置Φ28的錨筋進(jìn)行錨固，錨筋排距3.0 m，同時(shí)每隔12 m設(shè)置齒槽，齒槽底寬1 m、深1 m。

2 數(shù)值理論

2.1 滲流微分方程

本研究采用GeoStudio 軟件對(duì)大壩滲流進(jìn)行分析，主要使用SEEP/W 模塊。此次滲流分析主要探討不同水位下大壩內(nèi)部滲流問(wèn)題。土石壩滲流問(wèn)題屬于多孔介質(zhì)滲流問(wèn)題，質(zhì)量守恒方程可以表示為：

式中：ρ為流體密度（kg/m3）；n為孔隙率系數(shù)；xi為距離；qi為流體流速（達(dá)西流）（m/s）；t為時(shí)間（s）。

達(dá)西流qi的一般形式為：

式中：kij為滲透率（m/d）；μ為動(dòng)態(tài)黏度（Pa·s）；p為壓力（Pa）；g為重力加速度（m/s2）；其余變量含義同上。

通過(guò)組合方程（1）和（2），可以得到水在多孔介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)方程：

該方程描述了由壓力水頭和水密度變化引起的水流滲流的變化。

2.2 溫度變化方程

在土石壩中，能量流由固相中的熱傳導(dǎo)和液相中的熱傳輸組成。水（液相）中的能量通量包括熱平流以及由水流流速的變化而引起的擴(kuò)散。能量（溫度）平衡方程可以以一般平流擴(kuò)散的形式表示：

式中：c0為土體的體積熱容[J/（m2·k）]；cw為水的體積熱容量[J/（m2·k）]；Qdispi是由于機(jī)械力和熱分散引起的能量通量[J/（m2·s）]；qi為流體流速（達(dá)西流）（m/s）；T為水體溫度（°C）；t為時(shí)間（s）；xi為坐標(biāo)（m）；λ0為土體的導(dǎo)熱系數(shù)[J/（cm·s·℃）]。

3 數(shù)值模型

本次建立壩體模型具有垂直的中心心墻，如圖1所示。

圖1 壩體模型

壩頂寬度為8 m，長(zhǎng)度為1 200 m。壩體為填石路堤，中心心墻略微傾斜，由細(xì)黏土制成。5 a來(lái)，水庫(kù)的年水位波動(dòng)約為18 m（112～130.0 m），為大壩高度的1/2。大壩基礎(chǔ)材料礫巖滲透系數(shù)為1×10-5m/s，壩殼材料滲透系數(shù)為2.3×10-5m/s，芯墻材料滲透系數(shù)為8.3×10-9m/s，濾層材料滲透系數(shù)為2.5×10-9m/s。大壩基底76 m，地基基礎(chǔ)110 m，壩高142.5 m。大壩橫截面中的單元數(shù)為1 433 個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1 451 個(gè)。計(jì)算區(qū)域在水平方向上被離散為56 個(gè)單元，在垂直方向上被離散為48 個(gè)單元，單元的最小尺寸約為0.5 m×0.5 m，靠近防滲墻單元的最大尺寸增加到7.5 m×4 m。

數(shù)值計(jì)算參數(shù)，詳見(jiàn)表1。

表1 大壩數(shù)值計(jì)算參數(shù)

大壩2021和2022年水位和溫度變化結(jié)果，如圖2所示。

圖2 大壩水位及溫度變化

從圖2可以看出，大壩水庫(kù)的水位主要在118～129 m 變化，這些水位變化趨勢(shì)被視為不穩(wěn)定滲流模擬的上游邊界條件。此外，大壩水庫(kù)的水溫在19～35℃變化，溫度模擬同樣使用不穩(wěn)定邊界條件進(jìn)行。

4 大壩滲流分析

大壩滲流數(shù)值模擬結(jié)果，如圖3所示。

圖3 大壩滲流數(shù)值模擬結(jié)果

從圖3可以看出，下游排水溝的水流流速為0.3～0.5 m/d，在截流點(diǎn)附近增大最多可達(dá)1 m/d。通過(guò)查找不同區(qū)域的流速值，得出從上游到下游水流滲流時(shí)間約為540 d。然而，大壩實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，數(shù)值模擬計(jì)算的滲流結(jié)果略微大于實(shí)際測(cè)量的預(yù)測(cè)值，這是由于建模時(shí)考慮了非穩(wěn)定滲流，能夠較為安全地估計(jì)大壩的實(shí)際工作條件。此外，壩體心墻出現(xiàn)較高的滲透壓力，對(duì)大壩的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行加固處理，防止大壩出現(xiàn)潛蝕破壞。同時(shí)，考慮到殼體和基礎(chǔ)的滲透系數(shù)大于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，將壩殼的滲透系數(shù)增大至6×10-5和2×10-4分別進(jìn)行計(jì)算，其他技術(shù)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)相同。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，大壩的滲透性無(wú)明顯差異，尤其是壓頭的變化較小，因此本次采用的滲流模型計(jì)算結(jié)果能夠滿足施工設(shè)計(jì)要求。

5 大壩溫度變化分析

大壩溫度數(shù)值模擬結(jié)果固定水位在118 m，如圖4所示。

圖4 大壩溫度數(shù)值模擬結(jié)果

從圖4 可以看出，在大壩上游和下游存在不同位置溫度值之間的差異。如果不考慮裂縫，下游殼體的溫度變化很小，而在上游壩殼中溫度梯度變化十分明顯。若心墻內(nèi)有裂縫，則心墻后的水溫變化通常與水庫(kù)水溫變化相同。大壩出現(xiàn)溫度差異變化是由于水溫與氣溫的巨大差別使得大壩在上、下游面之間存在溫差。值得一提的是，溫度荷載與水深有關(guān)且?guī)焖疁囟葧?huì)隨水深而變化。因此，水位的變化會(huì)對(duì)溫度荷載產(chǎn)生較大影響[13]。

6 大壩防滲加固措施

由數(shù)值結(jié)果分析可知，水庫(kù)水位和溫度變化會(huì)對(duì)大壩穩(wěn)定性造成一定影響。其中，水位的影響主要體現(xiàn)在對(duì)大壩滲透壓力的影響，而溫度的影響則體現(xiàn)在對(duì)大壩變形的影響。現(xiàn)階段水利工程針對(duì)壩體防滲和加固通常采用高壓噴射注漿法。該工法簡(jiǎn)便易操作，能夠確保漿液固結(jié)體維持高強(qiáng)度，通常用于堤壩壩基的覆蓋層、接觸帶等加固。然而，由于高壓噴射會(huì)對(duì)形成的固體形態(tài)產(chǎn)生影響，對(duì)于土石壩結(jié)構(gòu)可采用防滲墻的結(jié)構(gòu)。另外，目前在水平防滲加固領(lǐng)域使用最為廣泛的3種技術(shù)包括反濾溝導(dǎo)滲技術(shù)、透水壓滲平臺(tái)技術(shù)和臨水截滲技術(shù)。其中，前2 種方法只能起到穩(wěn)定坡面的作用且存在工程量大、作業(yè)難度大等問(wèn)題，而臨水截滲防滲技術(shù)相比前2 種方法能夠維持長(zhǎng)時(shí)間防滲效果，因此在水平防滲加固領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

7 結(jié)論

本文以土石壩工程為例，考慮了水位變化和空氣溫度變化對(duì)大壩滲流和壩體溫度的影響，采用多孔介質(zhì)模型中的熱傳導(dǎo)、對(duì)流和擴(kuò)散方程，模擬了變水位和變溫度非穩(wěn)定邊界條件下壩體滲流和溫度梯度變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，下游排水溝的水流流速為0.3～0.5 m/d，在截流點(diǎn)附近增大最多可達(dá)1 m/d。通過(guò)查找不同區(qū)域的流速值，得出從上游到下游水流滲流時(shí)間約為540 d。此外，在大壩上游和下游可以清楚地看到大壩不同位置溫度值之間的差異。如果不考慮裂縫，下游殼體的溫度變化很小，而在上游壩殼中溫度梯度變化十分明顯。因此，水庫(kù)水位和溫度變化會(huì)對(duì)大壩穩(wěn)定性造成一定影響。