高瀝青混凝土心墻壩在局部損傷開裂情況下的滲流特性分析

劉文龍

(吉安市水利水電規劃設計院，江西 吉安 343000)

瀝青混凝土心墻壩在施工過程中處理不當或者經長期運行后壩體不均勻沉降等問題，將導致大壩心墻局部產生裂縫，這些裂縫影響大壩的整體穩定性，甚至會造成壩體滲漏、壩坡失穩甚至潰壩等嚴重后果。因此，對心墻局部裂縫情況下的滲流特性進行分析[1-4]十分必要。

楊燦等結合某高瀝青心墻土石壩工程，構建了滲流水位、溫度、降雨以及時效因子之間的統計回歸模型，且被證明是合理可行的[5]；寇甲兵[6]、陳松[7]等利用ANSYS數值分析軟件對瀝青混凝土心墻壩的滲流特性進行分析，主要研究水位變化對滲流特性的影響情況；葉發文[8]、肖亞子[9]等對復雜環境下的心墻壩變形穩定性進行了分析；周勁松進行了心墻局部裂縫影響下的壩體滲流場演化特征分析，發現心墻中的裂縫位置距離壩基越近時,對壩體的整體滲流穩定性越不利[10]。

高瀝青混凝土心墻壩將是今后建壩的一個新趨勢，在高水頭以及裂縫影響下，壩體的滲流量、水力坡降以及滲流流速等水力因素均會發生不同程度的改變。針對這方面系統研究還比較少，故本文在總結前人研究理論基礎上，開展高瀝青混凝土心墻壩在局部開裂情況下的滲流特性分析。

1 模擬分析方案

1.1 模型建立

瀝青混凝土心墻壩模型高125 m，上下游壩坡坡比均為1∶2，防滲體系包括瀝青混凝土心墻和帷幕灌漿，壩體材料包括主堆石體、下游堆石體、過渡料和排水棱體。利用SEEP-3D模擬計算分析軟件，采用六面體網格劃分法，模型的X軸范圍為(-25 m,25 m)、Y軸范圍為(1 072 m,1 347 m)、Z軸范圍為(-484.25 m，462.5 m)，將模型劃分為154 925個單元體共計165 388個節點，見圖1。

圖1 數值模型網格劃分圖

1.2 計算工況說明

本次分析計算共涉及兩百多種工況，主要情況為：①5種裂縫寬度(10、20、30、40和50 mm)；②3種心墻裂縫縫長(2、4和6 m)；③1-5號裂縫位置(1號縫自壩基向上100 m起、2號縫自壩基向上75 m起、3號縫自壩基向上50 m起、4號縫自壩基向上25 m起、5號縫為自壩基起)。按照正交試驗法，對所有工況進行了模擬分析，并對4號裂縫單獨進行不同水頭作用和材料滲透系數下的滲流特性分析。各材料的計算參數具體取值情況見表1。

表1 各材料的計算參數取值

1.3 計算模型

由于無縫瀝青混凝土心墻的滲透系數很小，其滲透系數值小于1E-10 m/s量級，因此當局部裂縫出現之后，沿同個方向的裂縫寬度基本上是沒有變化的，故而仍可以借助多孔介質的滲流理論，即裂縫處單位寬度的滲流量可以用如下公式表示：

(1)

式中：b為裂縫寬度；v為運動黏滯系數；vb為裂縫處的滲流速度；J為裂縫處水力坡降；g為重力加速度。

2 分析結果

2.1 局部裂縫位置對滲流量的影響

不同裂縫在壩體不同位置時的滲流量關系曲線見圖2。從圖2中可以看到，當裂縫寬度一定時，隨著裂縫位置從壩基往壩頂方向轉移，裂縫處的滲流量逐漸呈線性降低。這是因為心墻裂縫所處位置越低，所承受的壓力水頭越高，根據達西定律，當滲流流徑不變時，流量會隨著水頭的增大而增大，因此裂縫越往下，滲流量越大。

圖2 裂縫位置對滲流量影響

2.2 局部裂縫縫寬對滲流量的影響

當裂縫長度一定時，縫寬對滲流量的影響見圖3。從圖3中可以看到，位置和長度一定時，隨著縫寬的增加，滲流量呈線性增加；以壩基起100 m處裂縫為例，在縫寬分別為10、20、30、40和50 mm時，對應的滲流量分別為11、17、23、28和34 mm。對數據進行線性擬合分析，可得到增加單位裂縫寬度時，滲流量會相應增加0.57(即滲流量梯度增加)。同理分析得到自壩基起、自壩基向上25 m起、自壩基向上50 m起、自壩基向上75 m起處裂縫的滲流量梯度分別為1.43、1.1、0.93以及0.74，滲流量梯度隨著位置的降低呈線性減低趨勢。

圖3 縫寬對滲流量影響

2.3 局部裂縫長度對滲流量的影響

縫寬一定時，隨著縫長的增加，裂縫處的滲流量基本也呈線性增長，見圖4(a)。當裂縫的長度大于80 m后，滲流量的增長幅度有所減緩；當裂縫從壩基開始全部開裂時(1-5號裂縫均存在)，滲流量隨縫寬的增加呈冪函數型性略微增加，增長幅度較小，見圖4(b)；裂縫在寬度上增加一倍時，對應的滲流量的增加量小于裂縫在長度上增加一倍滲流增加量小，表明縫長是影響滲流場的主要因素，而縫寬并不是影響滲流場的主要因素。這是因為裂縫在向寬度上發展的時候，其影響范圍增幅較小，當在長度上發展的時候，影響范圍的增幅量較大，雖然增加長度會降低壓力水頭，但由于影響范圍增幅值較大，因此導致滲流量發生較大變化。

圖4 縫長對滲流量的影響

2.4 堆石體與過渡料滲透系數變化對滲流量影響

當僅4號縫開裂時，分別對堆石體以及過渡料的滲透系數進行改變，得到滲流量與不同材料滲透系數變化的相關關系，見圖5。從圖5中可以看到，隨著堆石體滲透系數的增大，心墻裂縫處的滲流量也逐漸增大，增幅情況與縫寬變化情況類似，即增幅在逐漸減小，滲透系數越大，因縫寬差異帶來的滲流量的差值反而越小。隨著過渡料滲透系數的增大，其滲流量的變化特征與堆石體相比存在明顯差異，裂縫處滲流量隨滲透系數增大呈指數型函數增長。當過渡料滲透系數小于0.001 m/s時，增長幅度較緩；當滲透系數大于0.001 m/s后，增長幅度較大。相較于堆石體滲透系數，過渡料的滲透系數是影響滲流場的一個主要敏感因素之一，當瀝青混凝土心墻產生裂縫過后，過渡料的材料性質對滲流量起著決定性作用。

圖5 材料滲透系數變化對滲流量的影響

3 結 論

1) 心墻裂縫位置越低，滲流量越大，并隨高程增加呈線性遞減趨勢；隨著縫寬的增加，裂縫處滲流量呈線性增長，滲流量梯度隨著位置的降低呈線性減低趨勢。

2) 裂縫越長，滲流量越大，且增長幅度較大，相較于縫寬而言，縫長是影響滲流量的主要因素。

3) 堆石體材料滲透系數越大，裂縫處的滲流量越大，且呈線性關系；滲流量隨過渡料滲透系數的增加呈指數型函數增長，過渡料滲透系數對心墻裂縫的滲流量起著關鍵性作用。