高標準免管護新型淤地壩壩身過流安全性研究

張金良 宋志宇 李瀟旋 蓋永崗

摘 要：高標準免管護淤地壩可避免傳統淤地壩存在的洪水漫頂潰壩風險高、管護壓力大、攔沙不充分等問題。為了給高標準免管護新型淤地壩技術的優化改進和推廣應用提供理論依據，基于高標準免管護淤地壩原型漫頂過流沖刷試驗，采用ABAQUS有限元軟件和地質雷達探測技術，對其結構應力、變形及滑移脫空情況進行分析，結果表明：高標準免管護淤地壩在洪水漫頂、壩身過流情況下，壩體產生的增量位移較小，對壩體的穩定性、安全性不會產生大的影響;泄流結構（溢洪道）不會產生超過黃土固化新材料強度的拉、壓應力，結構強度滿足泄流要求;泄流結構和大壩之間不會產生大的相對滑移和脫空，結構穩定可靠。

關鍵詞：淤地壩;防沖刷保護層;洪水漫頂;有限元分析;應力;變形

中圖分類號：S157.3+1;TV641.2+3

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.12.001

引用格式：張金良，宋志宇，李瀟旋，等.高標準免管護新型淤地壩壩身過流安全性研究[J].人民黃河，2021，43（12）：1-4，17.

Abstract： High-standard and free management new warping dam can avoid the existing problems of traditional warping dam such as high risk of collapse， high pressure of management and maintenance， and insufficient sand containment. In order to provide a theoretical basis for the optimization， improvement and popularization of the high-standard and free management new warping dam， based on the overtopping and overflowing scouring test， the ABAQUS finite element software and geological radar detection technology were used to analyze the structural stress， deformation and slip cavitation. The results show that the increment displacement of the dam body is small under the condition of the flood overflows， and the stability and safety of the dam body will not be greatly affected. The discharge structure （spillway） will not produce tensile and compressive stress exceeding the strength of loess solidification new materials， and the structural strength can meet the discharge requirements. There is no large relative slip or cavitation between the discharge structure and the dam， and the structure is stable and reliable.

Key words： warping dam; scour protection; overtopping flood; finite element analyses; stress; displacement

黃土高原是黃河泥沙的主要來源區[1]，淤地壩是黃土高原地區重要的水土保持措施之一[2-3]。早期建設的淤地壩設計標準較低[4-6]，受制于均質土壩壩身不能過流等，存在潰決風險高、管護壓力大、攔沙不充分等問題[7-9]。針對傳統淤地壩存在的問題，王博[10]在其設計施工管理、減沙機理、淤積程度等方面進行了分析，惠波等[11]對黃土高原地區淤地壩淤滿情況進行了分析，鄭寶明等[12]開展了淤地壩設計防洪標準、工程結構、最優壩體斷面等方面的研究，劉曉燕等[13]基于實測數據分析了淤地壩攔沙作用的時效性，李勉等[14]研究了淤地壩在次洪水淤積過程中泥沙的再分布特征。近年來，隨著傳統淤地壩病險問題日趨嚴重，有關淤地壩的創新研究逐漸深入，如陳祖煜團隊[15]研發了一種新型復合PET材料以及柔性溢洪道布置形式、王亮等[16]提出了淤地壩蓄水加固改造方案、黨維勤等[9]基于對病險壩在暴雨洪水情況下的連續觀測研究了淤地壩水毀機理，但均沒有解決洪水漫頂潰壩的難題。張金良等[17]基于小流域水文計算新方法、淤地壩新壩型結構、黃土固化新材料、設計施工新技術等，創新性地構建了高標準免管護淤地壩理論技術體系，目前該技術體系已在陜西、內蒙古等省（區）得到應用。本研究基于高標準免管護淤地壩原型漫頂過流沖刷試驗，采用ABAQUS有限元軟件和地質雷達探測技術，對其結構應力、變形及滑移脫空情況進行分析，以期為高標準免管護新型淤地壩技術的優化改進和推廣應用提供理論依據。

1 高標準免管護新型淤地壩基本原理

（1）新型淤地壩結構。高標準免管護新型淤地壩結構見圖1，其創新了壩工結構設計理念，通過在傳統淤地壩壩體上設置高強度防沖刷保護層，從而實現壩頂溢流運用且防潰決、免管護、多攔沙。

（2）黃土固化新材料。黃土高原地區存在大量的黃土，采用張金良等[17]研制的黃土固化劑可對當地筑壩黃土進行固化，在固化劑摻量為30%的情況下，黃土固化新材料28 d無側限抗壓強度可達11 MPa，間接拉伸強度為1.1 MPa，首次吸水后的吸水率隨齡期延長變化不大，30次凍融循環后強度損失率為23.3%，具有較好的耐久性和抗沖刷性能，可以滿足新型淤地壩過流沖刷防護要求，并能降低建設成本。

（3）設計施工新技術。黃土固化新材料可用于舊壩改造和新壩建設，根據實際工程施工需要，可采用防沖刷保護層全覆蓋、防沖刷保護層局部覆蓋、預制臺階式聯鎖塊全覆蓋等3種施工方式，詳見文獻[17]。

2 新型淤地壩原型試驗及結構應力變形分析

2.1 新型淤地壩原型試驗概況

為了充分驗證高標準免管護新型淤地壩技術可行性及新型壩工結構的安全性，在黃河水土保持西峰治理監督局南小河溝水土保持試驗場建設了原型試驗壩，其位于花果山水庫左岸，壩長70 m，壩高約15 m，下游坡比約11.7，是對現有壩下游壩坡進行改造而成的新型壩（溢洪道），見圖2。過流坡面和消力池均通過碾壓鋪設厚度約1.5 m的保護層（即黃土固化新材料），壩頂澆筑1 m厚的混凝土用于支撐液壓翻板，溢洪道兩側邊墻為磚砌結構。除試驗壩外，還設置了試驗用上下游蓄水池、進水池、閥門井、消力池、水泵、抽水管道、液壓翻板、控制室及電氣設備等。

為了對溢洪道結構的穩定性和抗沖刷能力進行全面驗證，并探索新型淤地壩設計和施工標準，進行了長歷時循環放水試驗。試驗前將花果山水庫內的蓄水抽到上游蓄水池，試驗開始后下泄流量大于抽水流量，上游蓄水池水位快速下降，下泄流量與抽水流量達到平衡狀態時上游蓄水池水位穩定在某一高度，以此模擬連續的漫頂洪水沖刷過程。試驗壩溢洪道單寬最大瞬時流量和穩定流量分別為4.82、1.00 m3/（s·m），最大泄流流速超過15 m/s。

2.2 試驗壩變形與應力三維有限元分析

2.2.1 三維有限元模型

試驗壩三維有限元模型見圖3，坐標系取順河流向下游為X軸正向、豎直向上為Z軸正向、沿壩軸線從右岸向左岸為Y軸正向。建模范圍為試驗壩及其上游10 m、下游30 m、左右岸各20 m、壩基以下20 m。模型網格劃分以八節點六面體等參單元為主，共劃分單元35 708個、節點43 068個。模型底部約束全部自由度，左右面Y向約束，前后面X向約束。

2.2.3 接觸及荷載條件

由于防沖刷保護層與壩體材料的剛度相差懸殊，因此在荷載作用下會表現出剪切滑移、脫開分離等不同于連續體的變形。本研究依據庫侖摩擦定律來模擬防沖刷保護層與壩體接觸面的力學行為，法向設定為剛性接觸、切向設定為摩擦接觸，摩擦系數取值為tan（0.75φ0）。

洪水漫流過程中因流速、流量、坡面及消力池表面平整度的差異等而產生極為復雜的沖刷和侵蝕，對此難以量化表述。本研究把水流對坡面及消力池表面的復雜作用簡化為自重壓力和因坡面（消力池表面）粗糙而產生的沖刷切應力（見圖4），在漫頂沖刷過程中，坡面上的水流速度逐漸加快，水流速度在坡腳處達到峰值后在消力池中逐漸減緩，即沖刷切應力從壩頂向坡腳逐漸增大，在消力池中逐漸減小。

2.2.4 變形及應力計算結果分析

選取壩體中間橫斷面進行漫頂過流作用下的應力變形分析。由于試驗壩是由舊壩改造而成的，壩體沉降已經完成，因此對壩體變形的分析重點是在坡面水流和防沖刷保護層重力作用下的壩體位移增量。由圖5可知，在漫頂過流情況下，壩體水平向最大位移增量約為1.28 mm，豎直向最大位移（沉降）增量約為2.45 mm。由圖6可知，壩體應力分布未見異常，在洪水漫頂情況下對新型淤地壩壩體穩定性、安全性不會產生大的影響。

由黃土固化新材料溢洪道結構應力計算結果（見圖7）可知：泄流結構順坡向最大壓應力約為0.5 MPa，發生在壩趾處;沿壩軸線方向，防沖刷保護層底面產生了最大約0.12 MPa的拉應力;從主應力來看，泄流結構最大主應力約為0.27 MPa（為拉應力），最小主應力約為0.52 MPa（為壓應力）。整體來看，泄流結構在大壩遭遇最大單寬流量為4.82 m3/（s·m）的大流量泄流時，不會產生超過黃土固化新材料強度的拉、壓應力，結構強度滿足泄洪要求。

2.3 溢洪道結構與壩體之間的相對滑移及脫空情況分析

溢洪道結構在泄流荷載作用下與大壩之間的相對滑移情況見圖8、圖9（溢洪道結構順坡向的位移以向下為正，表面法向位移以向壩體為負），可以看出，最大滑移量約為2.45 mm，出現在壩體中部偏上位置。

溢洪道結構在泄流荷載作用下與大壩之間的脫空情況見圖10、圖11，可以看出，防沖刷保護層下滑擠壓壩趾處的土體，二者發生相對變形，在壩趾處造成脫空區域，最大脫空值（二者法向最大位移的差值）約為1 mm。綜上所述，溢洪道和壩體之間不會產生大的相對滑移和脫空，黃土固化新材料溢洪道結構穩定可靠。

2.4 溢洪道結構與壩體之間脫空探測

為全面了解放水試驗完成后溢洪道結構和壩體之間的脫空情況、驗證數值計算的結果，沖刷試驗結束后，利用地質雷達探測技術對溢洪道結構與原下游壩體之間是否存在脫空情況等進行了現場探測。采用的地質雷達探測儀型號為SIR4000（美國GSSI公司生產），其搭配200 MHz天線;采用時間模式進行探測掃描，每次掃描的采樣數為1 024個、記錄時長為60 ns;采用5點法增益，濾波范圍為100～800 MHz，從壩頂沿下游壩坡等距離布置雷達測線。由探測結果可知，反射波同相軸未發生明顯錯動、未出現明顯缺失，雷達反射波波形未發生畸變，表明試驗壩溢洪道結構與原壩體之間無明顯脫空等缺陷，與數值計算結果吻合較好。

3 結 論

三維有限元分析和地質雷達探測表明：高標準免管護淤地壩在洪水漫頂、壩身過流情況下，壩體產生的增量位移較小，壩體應力分布未見異常，對壩體的穩定性、安全性不會產生大的影響;泄流結構（溢洪道）不會產生超過黃土固化新材料強度的拉壓應力，結構強度滿足泄流要求;泄流結構和大壩之間不會產生大的相對滑移和脫空，結構穩定可靠。

高標準免管護新型淤地壩理論技術體系具有強大的生命力和廣闊的推廣應用前景，本項目組將在材料研發、結構優化、施工工藝提升等方面開展更加深入的研究，為高標準免管護新型淤地壩理論技術體系的推廣應用提供堅實的技術支撐。

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【責任編輯 張智民】