極限蓄水深度條件下水庫堤壩內(nèi)的水力特征研究

吳 昊

（廣東水電云南投資有限公司,云南 蒙自 661100）

1 前言

小型水庫能夠在澇季儲(chǔ)存少量水量,在旱季供給適當(dāng)水源,因此,小型水庫在降雨分布不均勻地區(qū)中的應(yīng)用十分廣泛。許多學(xué)者對小型水庫堤壩工程開展了相關(guān)特性研究。張彥賓等[1]對水庫堤壩在煤礦開采條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：限采措施的有效實(shí)施能夠顯著降低對試采工作面帶來的堤壩變形危害,使其處于規(guī)程允許變形范圍內(nèi)。陸忠民等[2-3]對土工合成材料的抗沖性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：在潮汐河口地區(qū)采用網(wǎng)兜石一類的土工合成材料能夠有效抗擊水流對臨岸堤壩的沖擊,顯著改善堤壩的使用年限和運(yùn)營效果。孫鋒等[4]對堤壩劈裂問題的處理方法進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：壩體底部的劈裂發(fā)生時(shí),灌漿漿液極大影響壩體結(jié)構(gòu)的變形,顯著減小其沉陷變形,為該方法在劈裂止漏中的應(yīng)用提供了驗(yàn)證。程靜等[5]采用Geostudio 軟件中的多個(gè)內(nèi)嵌動(dòng)力分析模塊對堤壩內(nèi)的超孔壓和力學(xué)特性進(jìn)行了仿真分析,仿真結(jié)果表明：動(dòng)荷載作用下,堤壩內(nèi)部滲流零水位線會(huì)有0.2 m 的波動(dòng),不同土質(zhì)的波動(dòng)范圍不一。

通過上述分析可知,相關(guān)學(xué)者對水庫堤壩問題展開了大量研究。本文依托一小型水庫蓄水工程,對用于局部區(qū)域水量儲(chǔ)存的小型水庫堤壩滲流特征進(jìn)行了研究。主要采用Geostudio 軟件的內(nèi)嵌SEEP 模塊進(jìn)行建模和計(jì)算分析,通過設(shè)置相應(yīng)的極限儲(chǔ)水水位,對水庫極限工作條件下的壩基性能進(jìn)行分析和探討。

2 工程概況

該水庫蓄水工程堤壩剖面圖見圖1,水庫堤壩豎向高度為14 m,頂部水平寬度為5 m；左側(cè)臨水庫水面,垂直截面設(shè)計(jì),右側(cè)為變坡度截面設(shè)計(jì)；堤壩由上至下由三層組成,最上層為強(qiáng)夯土層,中間層為砂卵石層,最下層為混凝土層；各層材料的力學(xué)特征不同,其相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各層材料物理力學(xué)參數(shù)

圖1 水庫堤壩橫剖面圖

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

直接采用Geo-studio 軟件中的模型創(chuàng)建模塊對模型進(jìn)行構(gòu)建,構(gòu)建根據(jù)第2 節(jié)中的堤壩剖面尺寸進(jìn)行,首先對整體輪廓,根據(jù)圖1,采用多邊形建模方式構(gòu)繪,然后采用切割工具對整體輪廓進(jìn)行切割,以便將整體輪廓?jiǎng)澐殖扇齻€(gè)區(qū)域,從而與實(shí)際堤壩的三個(gè)組成部分相一致,再根據(jù)圖2,對各層材料進(jìn)行相關(guān)的特征參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,同時(shí)設(shè)置極限蓄水水位為12 m,這一水位采用在模型左側(cè)設(shè)置水壓高度進(jìn)行,最后進(jìn)行計(jì)算分析,得出計(jì)算結(jié)果,并將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)出。

圖2 構(gòu)建的堤壩模型

3.2 壩體總體水頭變化

經(jīng)過計(jì)算,最后獲得的壩體內(nèi)的壓力水頭分布特征,為了能夠反映蓄水后,壩體內(nèi)的總水頭變化,以研究該壩體材料的設(shè)計(jì)是否合理,給出壩體內(nèi)整體的總水頭變化特征圖,見圖3。

圖3 壩體內(nèi)的總水頭分布（單位：m）

結(jié)果表明當(dāng)水庫內(nèi)達(dá)到極限蓄水水位12 m 時(shí),堤壩內(nèi)的壓力水頭變化整體呈現(xiàn)出,上部壓力水頭較小,下部壓力水頭較大,最上部的壓力水頭表現(xiàn)為負(fù)值,約為-4 m～-2 m；隨著向下部運(yùn)動(dòng)變化,逐漸以多行平行斜線的方式增大,最下部臨近水源處的壓力水頭為12 m,為最大壓力水頭值；堤壩右側(cè)的壓力水頭介于0 m～-2 m 之間,表明該堤壩設(shè)計(jì)截面形式,有效阻隔了水庫中水的水頭差滲流運(yùn)動(dòng)；同時(shí)說明各層材料的設(shè)計(jì)及選取合理,壓力水頭從上至下的變化速率較為一致,等壓力水頭的斜線近似與右側(cè)中部的斜坡坡率相同。

圖3 所示為壩體內(nèi)的總水頭分布圖。由圖可知,當(dāng)水庫內(nèi)達(dá)到極限蓄水水位12 m 時(shí),堤壩內(nèi)的總水頭變化整體呈現(xiàn)出；左側(cè)靠近蓄水水體部位的總水頭較大,右側(cè)下游遠(yuǎn)離蓄水水體部位的總水頭較小,最右側(cè)的總水頭為0 m～2 m；表明該堤壩設(shè)計(jì)截面形式,有效阻隔了水庫中水的總水頭差滲流運(yùn)動(dòng)；同時(shí)說明各層材料的設(shè)計(jì)及選取合理,壓力水頭從左至右的變化速率較為一致,變化速率約為1.0（量綱為1）。總水頭隨著向左側(cè)運(yùn)動(dòng)變化,逐漸增大,最左側(cè)靠近蓄水水體部位的總水頭較大為12 m,為最大總水頭值；堤壩左側(cè)的壓力水頭介于10 m～12 m 之間。與12 m 蓄水深度條件下的理論值相符。

3.3 壩體內(nèi)水頭變化

為了進(jìn)一步有效揭示分層布置的壩體形式,水頭在壩體內(nèi)豎向方向的變化特征,特別繪制了相應(yīng)的堤壩內(nèi)水頭的變化隨著Y 值的變化趨勢。當(dāng)水庫內(nèi)達(dá)到極限蓄水水位12 m時(shí),堤壩內(nèi)Y 方向的水頭,從堤壩下部至堤壩上部近似呈現(xiàn)出“S”型的變化趨勢；下部隨著高度的升高,變化緩慢；在中間段變化速率增大,堤壩頂部位置的升高幅度較小,堤壩下部的最小壓力水頭,約為10.5 m；最上部的最大壓力水頭,約為11.32 m,與靜水壓力的總體分布趨勢一致,但總的變化速率較小,僅為0.067（量綱為1）。

為了進(jìn)一步有效揭示分層布置的壩體形式對水庫中水流的阻滲作用,圖6 給出了相應(yīng)的堤壩內(nèi)水頭的變化隨著水平距離X 值的變化趨勢。當(dāng)水庫內(nèi)達(dá)到極限蓄水水位12 m 時(shí),堤壩內(nèi)X 方向的水頭,從堤壩左側(cè)至堤壩右側(cè)近似呈現(xiàn)出直線型的變化趨勢；壩體左側(cè)水頭最大,為12 m,至最右側(cè)的20 m 位置處,水頭最小,為1.5 m；表明該壩體設(shè)計(jì)形式下,水流在水平向X 方向上受到了較大的抗?jié)B作用力,設(shè)計(jì)分層截面形式和各層的參數(shù)合理,水頭的變化速率近似為0.6（量綱為1）。

4 結(jié)論

（1）堤壩的壓力水頭變化整體呈現(xiàn)出,上部壓力水頭較小,下部壓力水頭較大,堤壩右側(cè)的壓力水頭介于0 m～-2 m 之間。堤壩內(nèi)的水頭沿著豎直Y 方向從堤壩下部至堤壩上部近似呈現(xiàn)出“S”型的變化趨勢。

（2）堤壩總水頭變化整體呈現(xiàn)出,左側(cè)靠近蓄水水體部位的總水頭較大,右側(cè)下游遠(yuǎn)離蓄水水體部位的總水頭較小,最右側(cè)的總水頭為0 m～2 m。堤壩內(nèi)的水頭沿著水平X 方向近似呈現(xiàn)出直線型的變化趨勢。

（3）上述壓力水頭、總水頭和堤壩內(nèi)的水頭沿著豎直Y方向和水平X 方向的變化結(jié)果均表明,該堤壩設(shè)計(jì)分層截面形式和各層的物理力學(xué)參數(shù)選取合理,在類似堤壩工程中可參考應(yīng)用。