壩體材料對水在壩體中的滲流特征影響

王偉聰

（浙江省圍海建設集團股份有限公司,浙江 寧波 315100）

1 前言

壩體材料的選擇關乎壩體的可儲水量和安全穩定,高性能材料修筑困難,增加工程造價和設計投入,選擇與水庫設計水位相符的材料進行壩體設計是合理選擇。范超等[1-2]對魚枧水庫工程中所采用的瀝青砼材料進行了配比研究,根據不同的級配、不同的油石含量、不同配比填料進行試驗后最終選擇瀝青砼材料。蔡正銀等[3]根據自然力作用下形成的堰塞堆積體特性,通過數值分析手段,分析了堰塞體不同材料配比時的水力特性后,得出不同結構堆積體條件下的水力特性,為相應的災害防治提供了科學支撐。李澤等[4-5]對病險土石壩的特性進行了研究,采用兩種現代理論手段結合有限元數值模擬技術和蒙特卡洛方法對病險土石壩進行了可靠度分析,應用于云南一病險土石壩中,為該壩病險治理提供了極大的計算量化的理論支撐。朱亞林等[6-7]研究了土工格柵加固高土石壩時在地震作用下的性能表現,采用了FALC 3D軟件進行了計算分析,并對軟件中內置的M-C模型進行適當修正,最終得出土工格柵在高土石壩中的植入能夠起到有效的加固作用,為高土石壩采用土工格柵進行加固的效果提供了可靠驗證。

本文對壩體的材料選擇問題利用Geo-studio軟件進行建模計算數值分析,首先將壩體輪廓在軟件中進行建模,然后將壩體材料賦予不同的材料參數,設置好相關邊界條件后,進行計算分析,通過對計算后得到的水力特征圖和表的適當解釋,得出相應不同材料下的變化規律,為該壩體修筑時材料的選擇提供量化依據。

2 工程地質

擬建工程為一水庫堤壩,位于昆明市,是昆明市汛期防洪災害預防的支撐性工程,壩體計劃采用兩種不同材料進行修筑。由于兩種材料的相關水力特性未獲得,目前兩種材料的最終確定有待商榷,一種材料是采購的碎石粘砂土材料,另一種是就地取材的崩滑堆積體材料,兩種材料的各項力學物理性質具體指標參見表1,壩體的設計剖面見圖1,計劃水庫儲水水位為8 m。

圖1 水庫堤體剖面

表1 擬采用兩種材料的參數

3 Geo-studio軟件介紹

Geo-studio軟件由于自動化程度高,建模迅速,相關屬性和賦值設置簡潔,模擬效果良好而在巖土工程中特別是壩體滲流分析中得到大量應用,其Seep模塊更是在負孔隙水壓力的獲得上相比其它數值計算軟件有著特殊優勢。

4 水庫壩體模型創建

根據圖1中所示的水庫壩體實體模型在Geo-studio中進行多邊形繪制區域建模,最終創建的數值計算分析模型見圖2,通過輸入表1中的材料特性參數設置崩滑堆積土和碎石粘砂土的材料特性,首先進行其中一種材料的計算,獲得計算結果后,將相應的計算結果導出,在進行另一種材料的計算,獲得相應的計算結果后,隨之將計算結果導出。

圖2 水庫壩體模型

5 模擬結果

下文分別分析在采用崩滑堆積土和碎石粘砂土材料情況下壩體的水力特性,主要分析水流流動經過壩體時的路徑,此外還包括壩體內的總水頭分布特征和壩中截面的總水頭特征,通過這些特征的分析比較,確定采用哪種材料進行壩體的修筑。

（1）崩滑堆積土材料

采用崩滑堆積土材料進行壩體的填充時,壩體內的相關水力特征圖分布特點見圖3,水流整體向右下角運動,主要受到水流自身重力和滲透力的作用,總水頭在左邊界處的變化緩慢,降低較小越往右側降低越大,以底部邊界為參考,左邊界水流運動約7 m時,總水頭降低1 m,右邊界水流運動不超過1 m時,總水頭即降低1 m。

圖3 壩體內水力特征

圖4所示是崩滑堆積土材料的壩體計算獲得的正中位置的總水頭,由此可見,壩體正中位置的總水頭最大值約為6.42 m,壩體正中位置的總水頭最小值約為6.28 m,整體由下而上逐漸變大,曲線由下而上略呈S型過渡。

圖4 壩體正中位置的總水頭

（2）碎石粘砂土材料

采用碎石粘砂土材料進行壩體的填充時,壩體內的相關水力特征圖分布特點見圖5,水流整體向右下角運動,主要受到水流自身重力和滲透力的作用,總水頭在左邊界處的變化緩慢降低較小,越往右側降低越大,以底部邊界為參考,左邊界水流運動約7 m時,總水頭降低1 m,從等值線上部形態可以看出,水流在該碎石粘砂土材料中所受到的土體粘滯阻力相比于崩滑堆積土材料較大,右邊界水流運動不超過1 m時,總水頭即降低1 m,相比于圖3 中的崩滑堆積土材料的坡降更為迅速,同樣說明水流在該碎石粘砂土材料中所受到的土體粘滯阻力相比于崩滑堆積土材料較大。

圖5 碎石粘砂土材料壩體內水力特征

圖6所示是碎石粘砂土材料的壩體計算獲得的正中位置的總水頭,由此可見,壩體正中位置的總水頭最大值約為4.86 m,壩體正中位置的總水頭最小值約為3.87 m,明顯小于采用崩滑堆積土材料的壩體正中位置的總水頭值,整體由下而上逐漸變大,曲線由下而上略呈S型過渡。

圖6 碎石粘砂土材料壩體正中總水頭

6 結論

（1）水流在碎石粘砂土材料中所受到的土體粘滯阻力相比于崩滑堆積土材料較大。

（2）采用碎石粘砂土材料的壩體計算獲得的正中位置的總水頭明顯小于采用崩滑堆積土材料的壩體正中位置的總水頭值。

（3）盡管采用碎石粘砂土材料進行壩體修筑價格昂貴,但是基于安全考慮,建議該壩體修筑采用碎石粘砂土材料。