變化水位下某碾壓混凝土重力壩揚壓力研究

牛文龍，徐鵬飛，秦 景

(1.北京中水科工程集團有限公司，北京 100048；2.中國水利水電科學研究院，北京 100044)

1 概述

碾壓混凝土重力壩由于其施工進度快、造價低、施工方便、適應環境能力強等特點被廣泛采用，在我國絕大多數地區建造了數百座[1]。然而，由于碾壓混凝土壩是采用分層碾壓施工，由于溫度、風速、施工方式等原因會導致碾壓混凝土層面出現施工冷縫，從而導致水流通過冷縫滲漏[2]。因此，研究碾壓混凝土壩揚壓力的分布和大小，對碾壓混凝土壩的滲流安全起到至關重要的作用。吳艷等[3]學者針對新疆地區在低端建設條件下第一座百米級全斷面碾壓混凝土重力壩進行分析，發現水位是影響橫縫開合度和壩體水平位移的主要因素。張斌[4]在分析碾壓混凝土相關壩體滲透系數基礎上，對百米級三級配碾壓混凝土壩進行了滲透穩定計算。梁嘉琛[5]對某重力壩滲透壓力的預測分析，并與ARIMA、ANN模型結果進行對比分析。白正雄等[6]選取了重力壩典型壩段，評價了地基的滲流場分布特征和防滲排水系統的滲流控制效應，對滲控體系進行了優化設計。結果表明，滲流經過防滲帷幕和排水孔的排水降壓作用后，地基的孔隙水壓顯著降低，防滲排水系統的滲控效果顯著。李明超等[7]針對碾壓混凝土重力壩的滲漏問題，以某實際的高碾壓混凝土重力壩防滲結構為研究對象，實現了基于伽遼金法的滲控結構滲流數值模擬分析，以"變態混凝土-二級配碾壓混凝土"為主要防滲材料，對采用不同厚度的上游防滲材料、不同布置方式的碾壓混凝土壩滲控結構進行了計算和對比分析。結果表明：不同上游防滲材料的厚度變化對壩體滲流量影響不同，二級配碾壓混凝土的厚度對壩體滲流量的影響是近似線性的，而變態混凝土的厚度對其影響則是非線性的。袁自立等[8]針對石漫灘碾壓混凝土重力壩滲流異常問題，根據其運行表現，系統分析了大壩滲流觀測資料，并利用有限元模型正反分析其滲流異常，發現壩體混凝土等效滲透系數不滿足現行規范要求，基于壩體多處出現射水、滲漏量增大明顯的現狀，建議盡快除險加固，以確保工程安全。宋永占等[9]為找出混凝土重力壩壩基防滲帷幕深度、厚度、位置因素對防滲效果的影響規律，在滲流理論基礎上借助Fluent軟件用數值模擬法分析壩基滲流場，分析指出壩基帷幕防滲作用與其自身滲透性有關，帷幕深度對壩基揚壓力影響較大，帷幕厚度主要影響壩基滲流量，帷幕位置只影響壩基揚壓力。因此，本文以某碾壓混凝土重力壩為研究對象，開展二維揚壓力計算，基于溢流壩、非溢流壩在變化水位下評價壩體及壩基是否滿足滲流安全要求。

2 工程概況

某水庫是一座以具有防洪、供水、灌溉等綜合功能的水利樞紐工程，在運行中，水庫的調度主要是通過輸水隧洞進行輸水，滿足下游灌溉及供水；汛期當庫水位高于汛泄水位159.0m時，通過溢洪道進行泄洪，控制水位。某水庫大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高42.2m，壩頂長168m，壩頂高程163.0m。壩中部設溢洪道2孔，孔凈寬12m，溢洪道高程156m，安裝12m×6.3m弧形閘門。

壩基地質情況是壩底下游所揭露的壩基接觸面標高為237.28～241.34m。壩基巖性為白云巖、雜色、石英石為主，可見長石，其中長石為肉紅色，半自型粒狀結構，塊狀構造，節理發育，巖芯多呈20～30cm短柱狀，錘擊聲清脆，鉆探進尺很慢，鉆進困難，未發生掉鉆，未揭露空洞。該區域未見大的斷裂構造，從區域地質構造分析，不存在發震構造。根據GB 50011—2016《建筑抗震設計規范》中的相關規定，本區抗震設防烈度為8度，第二組。

3 計算分析方法

3.1 計算方法

本文采用Abaqus軟件，通過有限元法，將滲流場看作是由離散的且有限個以結點互相聯系的單元體所組成，同時假設單元體內的滲透水頭變化是線性的，求得單元節點處的水頭值便可近似代表滲流場中該點處的水頭值。

3.2 計算模型及邊界條件

選取計算模型坐標系為：x軸方向為順河向，從上游指向下游為正向；y軸方向為豎向，沿壩高方向從下向上為正向。根據大壩現狀的布置及其結構特征，選擇水庫非溢流壩段(左0+017.27—左0+072.00)、非溢流壩段(右0+010.23—右0+090.00)和溢流壩段(左0+017.27—右0+010.23)3個典型橫剖面。

有限元模型計算范圍為：非溢流壩段(左0+017.27—左0+072.00)上部壩體取該壩段最大橫段面，下部壩基向上、下游及深度方向各取40m，為最大壩高的1倍；非溢流壩段(右0+010.23—右0+090.00)上部壩體取該壩段最大橫段面，下部壩基向上、下游及深度方向各取39m，為最大壩高的1倍；溢流壩段(左0+017.27—右0+010.23)上部壩體取該壩段最大橫段面，下部壩基向上、下游及深度方向各取58m，為最大壩高的1.5倍。

采用四邊形單元為主，輔以三角形單元來進行有限元網格剖分，四邊形單元類型為CPE8RP，三角形單元類型為CPE6MP。非溢流壩段(左0+017.27—左0+072.00)共包括329個單元，1040個結點；非溢流壩段(右0+010.23—右0+090.00)共包括801個單元，2504個結點；溢流壩段(左0+017.27—右0+010.23)共包括1471個單元，4542個結點。有限元模型網格如圖1—3所示。在選定的模型范圍內，四周位移和自由度均約束。

圖1 非溢流壩段(左0+017.27—左0+072.00)有限元模型網格圖

圖2 非溢流壩段(右0+010.23—右0+090.00)有限元模型網格圖

圖3 溢流壩段(左0+017.27—右0+010.23)有限元模型網格圖

3.3 計算參數及工況

3.3.1壩體及壩基材料滲透系數

混凝土、灌漿帷幕及防滲墻等滲流計算參數參照類似工程選取，壩基排水孔幕的等效滲透系數按“以縫代井列”方法分析確定，滲流計算材料參數見表1。

表1 大壩及地基滲流計算參數表

3.3.2計算工況

根據現行規范，并結合某水庫工程的實際情況，確定的計算工況為①正常蓄水位工況：上游水位161.8m，下游對應水位125.0m；②校核洪水位工況：上游水位163.0m，下游對應水位128.2m。

4 計算結果分析

非溢流壩段(左0+017.27—左0+072.00)壩基滲流計算結果如圖4所示，壩體結果如圖5所示。由圖4—5可知，正常蓄水位和校核洪水位2種工況的各典型橫斷面建基面揚壓力水頭分布規律具有相似性，順河向從上游到下游揚壓力水頭總體呈減小的趨勢。分析非溢流壩段(左0+017.27—左0+072.00)壩基斷面，在距離壩踵0～3m的位置，揚壓力水頭緩慢下降；然而，在距離壩踵3～5m的位置出現了突降，揚壓力水頭從37～38m降落至16～20m；在距離壩踵5.2～33m的位置，揚壓力水頭恢復緩慢線性下降趨勢。分析非溢流壩段(左0+017.27—左0+072.00)壩體斷面，在距離壩踵1.5～2.5m的位置，揚壓力水頭基本保持不變；在距離壩踵2.5m的位置以后，揚壓力水頭出現緩慢下降趨勢。

圖4 非溢流壩段(左0+017.27—左0+072.00)壩基斷面揚壓力計算結果

圖5 非溢流壩段(左0+017.27—左0+072.00)壩體斷面揚壓力計算結果

非溢流壩段(右0+010.23—右0+090.00)壩基滲流計算結果如圖6所示，壩體結果如圖7所示。分析非溢流壩段(右0+010.23—右0+090.00)壩基斷面，在距離壩踵0～4m的位置，揚壓力水頭緩慢下降；隨著距離壩踵位置距離的增加，在距離壩踵4～5m的位置出現了突降，揚壓力水頭從36.8～38m降落至18～20m；在距離壩踵6.2～35m的位置，揚壓力水頭恢復緩慢下降趨勢。分析原因可知，壩基防滲帷幕對揚壓力和滲漏的變化起著重要的作用，當防滲帷幕可以起到有效防滲作用時，會直接導致滲漏量顯著增大。根據相關學者研究表明：當防滲帷幕滲透系數小于5.0×10-7cm/s時，帷幕能起到較好的防滲作用[10- 12]。本工程壩基防滲帷幕的滲透系數為1.0×10-7cm/s，說明防滲帷幕起到較好的防滲作用。因此，在防滲帷幕所在位置處，壩體的揚壓力出現了明顯減小，即在距離壩踵4～5m的位置出現了突降。然而，分析溢流壩段(左0+017.27—右0+010.23)滲流計算結果(壩基滲流計算結果如圖8所示，壩體結果如圖9所示)可知，壩體與壩基的揚壓力水頭線變化規律基本一致。由此可知，壩基防滲帷幕對于壩基的揚壓力降低起到了重要作用，但是對于壩體的揚壓力降低影響較小。

圖6 非溢流壩段(右0+010.23—右0+090.00)壩基斷面揚壓力計算結果

圖7 非溢流壩段(右0+010.23—右0+090.00)壩體斷面揚壓力計算結果

圖8 溢流壩段(左0+017.27—右0+010.23)壩基斷面揚壓力計算結果

圖9 溢流壩段(左0+017.27—右0+010.23)壩體斷面揚壓力計算結果

兩岸非溢流壩段和中間溢流壩段的壩基揚壓力結果匯總見表2。在正常蓄水位工況下，各典型斷面建基面揚壓力水頭最大值為41.18m，帷幕處的揚壓力水頭最大值為21.80m，位置為中間溢流壩段壩踵處，地面高程113.8m。在校核洪水位工況下，各典型斷面建基面揚壓力水頭最大值為42.85m，帷幕處的揚壓力水頭最大值為24.92m，位置為中間溢流壩段壩踵處，地面高程113.8m。結果表明，通過設置防滲墻、防滲帷幕及排水孔幕以降低揚壓力的作用較明顯。對于碾壓混凝土重力壩而言，由于施工工藝采用的是逐層澆筑碾壓混凝土[13]。因此，在上下游水位差變化的時候，靠近上游的碾壓混凝土對滲水的運動起到主要的阻礙作用，但是水流仍會沿著層、縫面滲入到壩體中，而其后的排水孔幕能起到很好的排水降壓作用。由于排水孔幕的排水作用相對于上游面的碾壓混凝土的阻止水流滲透能力較強，極少部分的水流能繞過排水孔向距離壩踵位置較遠的碾壓混凝土區域繼續滲透，總水頭等表現為基本水平無壓的狀態，因而排水孔幕后的碾壓混凝土區的揚壓力能夠得到很好的控制。因此，在非溢流壩段(左0+017.27—左0+072.00)最大揚壓力水頭在校核洪水位工況比正常蓄水位工況高3.06%，在非溢流壩段(右0+010.23—右0+090.00)與溢流壩段(左0+017.27—右0+010.23)分別高出3.15%與3.8%。且在溢流壩段，揚壓力明顯比非溢流壩段的高。分析原因可知，由于溢流壩段表面始終處于泄水飽和狀態，致使滲水會沿著基本無阻力的三級配碾壓混凝土的層、縫面從大壩下游面逸出。如溢流壩段表面長年累月遭受滲透水流的侵蝕，泄流部位就會出現老化脫落的現象，從而破壞溢流壩段表面保護層，也會降低大壩的耐久性，從而增加碾壓混凝土壩層面的滲透通道[14- 16]。這種現象在一些嚴寒地區可能會造成更加惡劣的影響，大壩下游面的滲水會對下游面產生嚴重的凍融作用，使其安全性進一步降低。因此，基于這種現象，建議溢流壩段表面應采取相應的防滲處理，減少大壩失事風險。

表2 滲流計算結果匯總表 單位:m

5 結論

(1)在碾壓混凝土壩不同滲流計算工況下得到揚壓力水頭線均符合一般規律，且變化水位對碾壓混凝土重力壩揚壓力的影響較為明顯，隨著水位的增加，壩體與壩基的揚壓力均出現了不同程度的增大。

(2)正常蓄水位和校核洪水位2種工況的各典型橫斷面建基面揚壓力水頭分布規律具有相似性，順河向從上游到下游揚壓力水頭總體呈減小的趨勢。在非溢流壩段，壩體與壩基的揚壓力水頭線相差較大；但在溢流壩斷面揚壓力水頭線變化趨勢相同。

(3)大壩防滲和排水設施完善，且防滲帷幕滲透系數小于5.0×10-7cm/s，防滲帷幕的防滲效果表現良好，壩體及壩基滲流變化規律基本正常。非溢流壩段設置防滲帷幕和排水孔降低揚壓力的作用明顯，中間溢流壩段設置防滲墻、帷幕及排水孔降低揚壓力的作用較好，壩基揚壓力未超過設計值。