滲透系數(shù)對壩下涵管周圍滲流場影響研究

吳 瀚

（撫順市水利勘測設(shè)計研究院，遼寧 撫順 113008）

滲透系數(shù)對壩下涵管周圍滲流場影響研究

吳 瀚

（撫順市水利勘測設(shè)計研究院，遼寧 撫順 113008）

水庫大壩運行中，壩下涵管是提升大壩內(nèi)部排水能力的重要結(jié)構(gòu)。由于涵管構(gòu)造特殊性，會對壩體內(nèi)部滲流特征造成影響，從而進(jìn)一步影響壩體穩(wěn)定性。在不同滲透系數(shù)條件下，涵管周圍滲流場會呈現(xiàn)不同力學(xué)特征。運用ABAQUS軟件，構(gòu)建壩體有限元模型，對涵管周圍滲流場特征展開研究。研究結(jié)果表明，隨著涵管周圍滲透系數(shù)的增加，滲透流量相應(yīng)增加；隨著涵管距離向下游擴(kuò)展，滲流流速、滲透坡降呈顯著增加特征，且在出口處達(dá)到最大值；隨著涵管距離向下游擴(kuò)展，滲透孔壓呈降低特征，且在出口處達(dá)到最小值。

水庫建設(shè)；大壩設(shè)計；壩體安全；涵周滲流；滲透系數(shù)

在水庫工程設(shè)計和施工過程中，涵管周圍滲流穩(wěn)定性不僅對壩體土體穩(wěn)定性有直接影響，而且會進(jìn)一步影響到壩體蓄水能力和運行安全［1］。然而，在水庫運行中，影響涵管周圍滲流場的因素較多，滲流沖刷長期存在且往往隱蔽而緩慢［2-4］。 因此，需要對壩體滲流情況進(jìn)行模擬分析，以便提升水庫大壩設(shè)計、建設(shè)和運行科學(xué)性。通過ABAQUS軟件，本研究將構(gòu)建壩體滲流模型，對其滲流流速、滲透坡降等進(jìn)行分析。

1 工程概況

壩體斷面結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，壩頂寬度為5.0m，岸坡內(nèi)側(cè)壩坡比為 1∶3，外側(cè)（下游）壩坡比為1∶2。壩體填土縱向高度為27m，壩基為10m；壩體填土與壩基填土之間有3m厚隔離層，其內(nèi)部設(shè)置涵管。壩下涵管共被劃分為10個分段，各段長度均為15.0m，其最大直徑為3m。

圖1 壩體斷面結(jié)構(gòu)圖（垂直于河流軸線）

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 有限元模型建立

通過ABAQUS軟件，對壩體滲流進(jìn)行模擬分析。基于壩體滲流孔水壓，繪制出壩體有限元圖，結(jié)果如圖2所示。

圖2 壩體滲流孔壓力云圖

由圖2可知，壩下涵管滲流孔較為集中，水壓在其壩體內(nèi)側(cè)較高。在壩體填土與涵管接觸區(qū)域，材料滲透系數(shù)差距較大，滲流速度、坡降以及孔壓等都會產(chǎn)生落差，發(fā)生滲流的程度相比其它部分更大。

2.2 涵管上部滲流分析

在滲透系數(shù)k=1.0×10-4cm/s時，以涵頂中心線為基準(zhǔn)，涵周滲流孔壓從上游至下游呈顯著降低特征。其中，中心線下游0～46m段，涵周滲流孔壓保持基本穩(wěn)定態(tài)勢。在中心線下游 46m至150m段，涵周滲流孔壓呈拋物線下降。在滲透系數(shù)k=1.0×10-4cm/s時，以涵頂中心線為基準(zhǔn)，涵周滲流流速從上游至下游呈逐漸上升特征。其中，在中心線下游0～25m段，涵周滲流流速保持基本穩(wěn)定態(tài)勢；在中心線下游25m至150m段，涵周滲流流速呈拋物線特征增加，且最大流速達(dá)5.0 ×10-5cm/s。在滲透系數(shù)k=1.0×10-4cm/s時，以涵頂中心線為基準(zhǔn)，涵周滲流坡降從上游至下游呈逐漸上升特征。其中，在中心線下游 0～28m段，涵周滲透坡降為0.0kPa；在中心線下游29m至150m段，涵周滲流坡降呈拋物線特征增加，且最大坡降達(dá)0.49kPa。

3 滲透系數(shù)變化對涵管周圍滲流場的影響

3.1 滲流系數(shù)對滲流流速的影響

在對滲流流速進(jìn)行分析時，需要基于土體滲透系數(shù)展開。如圖3所示，在不設(shè)置截水環(huán)條件下，涵管頂部滲流速度隨著不同滲透系數(shù)及滲透距離存在顯著變化。

圖3 無截水環(huán)時涵管頂部滲流流速變化曲線

表1為管頂部滲流流速變化統(tǒng)計表。隨著涵管頂軸線距離的變化，不同滲透系數(shù)下的滲流流速都呈現(xiàn)上升趨勢，且在出口處達(dá)到最大值。其中，當(dāng)滲透系數(shù)k=1×10-3cm/s、k=5×10-4cm/s時，滲流流速增加更加明顯。

表1 無截水環(huán)條件下涵管頂部滲流速度統(tǒng)計 單位：cm/s

3.2 滲透系數(shù)對滲流量的影響分析

滲流流量是影響滲流場的重要因素，它不僅對涵管周圍土體結(jié)構(gòu)有基礎(chǔ)作用，而且還會對滲流流速產(chǎn)生影響［5-6］。隨著涵管周圍滲透系數(shù)的增加，出口滲流流量呈顯著線性增加特征［7］。當(dāng)滲透系數(shù)增加到1.0×10-3cm/s時，焊管周圍出口I滲流流量達(dá)到最大值1.1×10-5m3/s。

3.3 滲流系數(shù)對涵管頂部滲流孔壓的影響分析

本研究中，不設(shè)置截水環(huán)，并將涵管周圍土體厚度設(shè)置為0.4m［8］。基于此條件，計算不同滲透系數(shù)下的涵管頂部滲流孔壓，結(jié)果如表2所示。

表2 無截水環(huán)條件下涵管頂部滲流孔壓計算結(jié)果 單位：kPa

由表2可知，在不同滲透系數(shù)下，隨著上下游距離的變化，滲流孔壓呈現(xiàn)拋物線型降低特征；在各距離值處，涵管頂部滲流孔壓值十分接近。

3.4 滲透系數(shù)對滲透坡降的影響

達(dá)西定律已經(jīng)證明滲透系數(shù)與滲透坡降之間呈現(xiàn)正比變化關(guān)系［9］。如表3所示，在不設(shè)置截水環(huán)條件下，不同滲透系數(shù)、流程距離對涵管頂部滲透 坡降值的影響存在差異。

表3 無截水環(huán)條件下涵管頂部滲透坡降計算值

圖4為滲透系數(shù)與滲透坡降關(guān)系變化曲線。由圖4可知，隨著涵管頂軸線距離的變化，各滲透系數(shù)下的滲透坡降呈顯著增加特征；當(dāng)涵管頂軸線距離小于110.3m時，各滲透系數(shù)下的滲透坡降值十分接近，不存在顯著差異；當(dāng)涵管頂軸線距離大于110.3m時，各滲透系數(shù)下的滲透坡降值存在顯著差異，且滲透系數(shù)1.0×10-3cm/s下的滲透坡降值最小。可見，只有在出口處，滲透系數(shù)才會對涵管周圍滲透坡降值產(chǎn)生差異影響。

TV223.4

A

1672-2469（2017）02-0078-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.025

2016-06-14

吳 瀚（1983年—），男，工程師。