五皋垅水庫導流圍堰穩定性優化中混凝土楔形體的應用

舒偉鵬

（江西省修江水利電力勘察設計有限責任公司，江西 南昌 330000）

1 工程概況

該工程為Ⅴ等小（2）型工程，攔河壩（非溢流壩、溢流壩）、壩下涵管均為5 級建筑物。施工期設計洪水標準采用5 年一遇。水庫大壩為砌石重力壩，采用分期導流。

2 混凝土楔形體的應用

2.1 圍堰開裂特征參數優化

水庫導流圍堰中應用混凝土楔形體后圍堰周圍將形成滲流場，將圍堰結構滲透系數量級設定為1E-10 m/s，則圍堰接縫處單位寬度對應的流量取值主要與圍堰寬度、運動粘滯系數、滲流速度、水力坡降及重力加速度等有關。若滲透系數相等，則依據達西定理，導流圍堰中混凝土楔形體的流量值主要取決于裂縫處水力坡降和滲透系數。根據以上分析，將導流圍堰混凝土楔形體應用后圍堰滲透系數表示如下：

式中：k—滲透系數；g—重力加速度，m/s2；b—圍堰寬，m；v—運動粘滯系數。

根據水庫導流圍堰滲透系數的影響因素及可能取值，將導流圍堰視為實體單元，構建圍堰結構數值模型坐標系，具體見圖1。以圖中所示模型為研究對象進行混凝土楔形體開裂縫數值模擬，同時將不同縫寬所對應的裂縫數量匯總至表1。由表中結果可以看出，不同縫寬下，裂縫數量基本保持在6條及以下。根據對表中最大縫長和縫寬及水庫導流圍堰結構開裂程度的分析，混凝土楔形體結構強度及楔形體水泥含量均與圍堰結構開裂程度呈反向變動關系，據此，可從以上方面著手優化導流圍堰開裂特征參數，降低裂縫病害對圍堰穩定性的不利影響。

圖1 導流圍堰結構數值模型坐標系圖

表1 模型坐標系中裂縫數量統計表

2.2 穩定系數優化

在混凝土楔形體應用后，以對應的開裂系數及滲透量為基礎，將水庫導流圍堰視為折線形實用堰，并進行堰上水頭計算。在此種情況下，導流圍堰結構體在長時間水流沖刷下會形成沖擊坑，楔形體也會在圍堰下游形成較為穩定的消力池。混凝土楔形體應用后可得到不同穩定系數，根據穩定系數的變化規律，在混凝土楔形體控制下的水流流速值持續增大的情況下，穩定系數呈減小趨勢。在五皋垅水庫導流圍堰中應用混凝土楔形體以優化圍堰結構穩定性的過程中，必須引入動能校正系數以控制水流流速，并將圍堰結構劃分成不同區段，分別計算各區段消能率，最終實現穩定系數優化。

3 混凝土楔形體作用的試驗分析

3.1 試驗準備

為進行混凝土楔形體對水庫導流圍堰穩定性優化作用的試驗分析，按照不同配合比制備混凝土楔形構件進行試驗，試件H1配合比為粉煤灰：膨潤土：水泥：砂：石：減水劑：水膠比：水=25∶31∶148∶820∶285∶1.6∶0.84∶290 g，試件H2配合比為粉煤灰：膨潤土：水泥：砂：石：減水劑：水膠比：水=25∶33∶152∶840∶295∶1.6∶0.86∶300 g，試件H3配合比為粉煤灰：膨潤土：水泥：砂：石：減水劑：水膠比：水=23∶35∶155∶860∶305∶1.6∶0.88∶320 g。根據試驗結果，楔形構件H1抗壓強度1.65 MPa，彈性模量876 MPa，滲透系數1.72×10-4cm/s，泌水率0.52%，混凝土容重2 024 kg/m3；楔形構件H2抗壓強度1.61 MPa，彈性模量831 MPa，滲透系數1.70×10-4cm/s，泌水率0.54%，混凝土容重2 017 kg/m3；楔形構件H3 抗壓強度1.65 MPa，彈性模量856 MPa，滲透系數1.70×10-4cm/s，泌水率0.55%，混凝土容重2 033 kg/m3。根據以上參數所設計出的水庫導流圍堰結構具體見圖2。

圖2 導流圍堰結構布置圖

3.2 結果及分析

結合以上準備，假定該水庫導流圍堰內水流速度按照0.5 m/s的速度上升，觀測時間50 h，按照5 h的時間間隔進行圍堰結構裂縫情況測量，以所測得的圍堰堰體裂縫數值為比較標準。測量結果具體見表2。根據表中測量結果，在三種不同處理措施下，圍堰堰體實際剪切力不同，對應的開裂數值也不一致，未設置混凝土楔形體時圍堰堰體裂縫長度較大，其余加固處理措施下圍堰堰體裂縫長度居中，設置混凝土楔形體后圍堰堰體裂縫長度最小。總之，混凝土楔形體的應用能有效控制圍堰堰體開裂。

表2 圍堰堰體裂縫長度表

在以上試驗條件下，應用瑞典圓弧法進行該水庫導流圍堰安全性系數計算，公式如下：

式中：F—水庫導流圍堰結構安全系數；MR—抗滑力矩；MS—土體圍繞圓心下滑所產生的滑動力矩。

在式（2）中取未設置混凝土楔形體、其余處理措施、設置混凝土楔形體等三種工況下該水庫導流圍堰混凝土楔形體性能系數均值為最終的穩定性系數，結果見圖3。由圖3可知，在未設置混凝土楔形體情況下導流圍堰堰體安全系數在1.9左右，傳統加固處理措施下圍堰堰體安全系數在2.1～2.3之間變動，設置混凝土楔形體下導流圍堰堰體安全系數在2.25～2.40 范圍內變化。綜合以上分析，文中所提出的設置混凝土楔形體的加固措施對水庫導流圍堰堰體安全穩定十分有利。

圖3 混凝土楔形體應用前后安全系數變化圖

4 結論

綜上所述，水庫工程導流圍堰穩定與否直接關系到水庫工程性能的穩定發揮，通過設置混凝土楔形體，可以起到穩固水庫導流圍堰的左右，并能有效改善傳統穩定方法以及不設置混凝土楔形體下圍堰堰體開裂數值過大、圍堰安全系數過低的問題，對于水利水電導流圍堰堰體加固具有較大的適用性。