垂直堤壩內的水流水力特性和應力特征研究

周 洋

（清遠市水利水電勘測設計院有限公司，廣東 清遠 511500）

1 前言

水庫或河流大壩的形式與其地理位置和地質條件息息相關，垂直堤壩形式由于占地面積小，經濟效益高，儲水及排水能力強，在水庫和河流大壩中有著廣泛的設計應用。大量學者就堤壩結構體的滲流特征，開展了多方面的研究。汪在芹等[1］針對水庫大壩的滲漏治理問題進行了研究。研究結果表明：采用化學材料對微細裂縫進行灌漿是除險加固工作中的一項有效手段。陳新等[2，3］研究了布料機在提高混凝土澆筑效率的作用。研究結果表明：混凝土大壩采用布料機施工后，效率明顯提高，加快了施工進度，保證了安全度汛，同時，減小了后期施工的壓力。楊啟貴等[4，5］研究了東方山水庫在發生大的滲漏量的應急處置措施。研究結果表明：泄、抽、堵、壓等多種方法并行實施，在滲漏發生處進行及時處理，在預防大壩潰決方面效果明顯。王薇等[6］研究了超聲波成像在偵測大壩滲漏發生位置方面的應用。研究結果表明：采用跨孔法成像技術對大壩進行裂縫探測，能夠有效實現精細獲取裂隙位置，且獲取的結果與傳統有損檢測方法獲取的結果高度一致，為該方法在類似水庫大壩工程中的應用提供了應用基礎。陳泳江等[7，8］研究了大壩安全性評估方法。研究結果表明：改進的FMECA-模糊分析法能夠有效評估水庫大壩的安全性，評估結果與實際水庫安全性等級相同。葛從兵等[9］對傳統的大壩巡檢網絡培訓系統的缺陷進行了研究。研究結果表明：原有培訓系統復雜不易用，新開發的培訓系統架構，結合了數項關鍵技術，有效減輕了培訓人員的工作壓力，同時，顯著改善了培訓效果。

以上扼要分析表明，大量學者對大壩的受力、變形及災害預測與防治方面開展了研究，研究成果顯著。然而，對于大壩的結構形式的研究較少。為此，本文根據水庫堤壩形式，采用FLAC3D 軟件對垂直形式的大壩結構在工程中的效果進行了研究，為該形式大壩在今后水利工程中的應用提供幫助。

2 工程概況

該水庫堤壩工程是當地市政供水和水量調節的基礎支撐。大壩設計高15 m，設計蓄水水位為12 m，大壩采用垂直形式的混凝土壩基，壩基與下部鋼筋混凝土加固樁聯結，大壩長120 m，壩寬20 m。1 m 寬的三維橫截面壩體原始模型圖見圖1。壩體下部采用C50 現澆混凝土修建，上部采用C45現澆混凝土修建，兩種類型的混凝土的物理力學參數，見表1。

表1 巖土體物理力學參數

圖1 壩體尺寸三維示意圖

3 數值模擬

3.1 模型的建立

在FLAC3D 軟件，根據圖1 中的實際的大壩壩基結構的橫截面尺寸，構建與圖1 相同的三維模型，進行后續數值計算分析，由于大壩壩基結構形式簡單，且為混凝土壩基，混凝土相關物理力學性質明確，構建模型采取軟件自構建模式；簡而言之，FLAC3D 軟件包含有簡單的自帶的構建模型的模塊，該方法簡單實用，完全能夠滿足本文中的壩基結構的模型創建，即采用BLOCK 命令構建下部壩基；在此基礎上，繼續采用BLOCK 命令構建上部壩基，而后根據表1 參數，設置相應的各部分材料參數，‘zone property’命令用于完成這一過程。最終構建的三維模型見圖2。

圖2 三維數值計算模型

3.2 壩基內的水力特征

為了分析在水壩蓄水后，壩體內的水流水力特性，通過調出相應的流量通量圖，并將其以矢量形式呈現，壩體內的水流矢量圖見圖3。同時，為了研究壩體內的水流通過壩體的滲流過程，壩體內的水流流線圖見圖4。

圖3 壩體內的水流矢量圖（單位：m3／s）

圖4 壩體內的水流流線圖

圖3 所示為蓄水后壩體內的水流矢量圖，根據圖中矢量線的長短，分析水流在通過壩體時在壩體內的滲流特點，首先可以得出，從上游向下，水流在慣性力及重力、水頭壓力差作用下，不斷向下匯聚，至最左側下游位置，最大流量值為1.36×10-6m3／s，最上游流量值最小，約為1.6×10-7m3／s；從最上游至最下游，變化趨勢近似為線性變化過程，變化梯度為6×10-8m3／（s?m），可知變化梯度極小，且下游最大流量為1.36×10-6m3／s，也幾乎為零。說明該設計堤壩形式有效阻隔了壩體內的水向下游的滲流泄露，但仍有少量滲流現象存在，運營階段應加強監測。

圖4 所示為蓄水后壩體內的水流流線圖，根據圖中流線的形態，分析水流在通過壩體時在壩體內的滲流流動特點，首先可以得出，從壩體的上游向下游，在1.5 m 范圍內壩體內的滲流水迅速向下匯聚；并在0.75 m 范圍內迅速匯聚至壩體的下部2 m 范圍內，隨后保持水平運動方式向下游滲流，至最右側下游位置。

由上述對壩體內的水流矢量圖的詳細解析，可知，從上游向下，水流不斷向壩基下部位置匯聚，至下游位置，最大流量值為1.36×10-6m3／s，變化梯度為6×10-8m3／（s?m）；由對蓄水后壩體內的水流流線圖的詳細解析，可知，壩體內的滲流水，在距上游1.5 m 范圍內壩體內的滲流水迅速向下匯聚，并在0.75 m 范圍內迅速匯聚至壩體的下部2 m 范圍內。

3.3 結構體的受力特征

為了分析蓄水后壩體的受力特點，以分析這種結構形式的壩體的力學穩定性，導出了蓄水后壩體內的XX 方向的最大有效應力云圖，見圖5。同時導出了蓄水后壩體內的ZZ 方向的最大有效應力云圖，見圖6。

圖5 壩體內XX 方向應力云圖（單位：Pa）

圖6 壩體內ZZ 方向應力云圖（單位：Pa）

圖5 所示為蓄水后壩體內的XX 方向有效應力云圖，根據圖中云圖圖例所示，分析壩體在蓄水后的XX 方向的應力變化特點，首先可以得出，從壩體上部至下部，在約9.5 m 高度范圍內的壩體XX 方向的應力約為1.0×103Pa；從壩體9.5 m高度至壩體最底部12 m 位置處，呈線性增大趨勢，最大應力值為1.05×104Pa，變化梯度約為2.5×103Pa／m，可見壩體上部9.5 m 高度范圍內XX 方向的有效應力較小，而在下部2.5 m范圍內的XX 方向的有效應力較大。

圖6 所示為蓄水后壩體內的ZZ 方向有效應力云圖，根據圖中云圖圖例所示，分析壩體在蓄水后的ZZ 方向的應力變化特點，首先可以得出，從壩體上部至下部，呈線性增大趨勢；最小應力值為1.5×103Pa，最大應力值為5.85×104Pa，變化梯度約為4.75×103Pa／m。說明該種壩基設計形式，以及對上部采用C45 混凝土澆筑，而下游采用較高強度的C50 混凝土澆筑的材料選擇是合理的。

4 結論

（1）從上游向下，流量不斷增大，最大流量值為1.36×10-6m3／s，變化梯度為6×10-8m3／（s?m）；在距上游1.5 m范圍內，滲流水迅速向下匯聚，并在0.75 m 范圍內匯聚至壩體的下部2 m 范圍內，隨后保持水平運動方式至下游位置。

（2）在壩體從上向下約9.5 m 高度范圍內，壩體XX 方向的應力約為1.0×103Pa，9.5 m～12 m，呈線性增大趨勢，至最底部位置增大至最大應力值1.05×104Pa，變化梯度約為2.5×103Pa／m；ZZ 方向的應力變化特點，上部至下部，呈線性增大趨勢，最小值為1.5×103Pa，最大值為5.85×104Pa，變化梯度約為4.75×103Pa／m。

（3）XX 方向和ZZ 方向的應力變化特點，說明該種設計壩基設計形式是合理的，但是下游仍有少量滲漏現象存在，建議運營階段應加強監測。