重力式混凝土壩基的數值模擬研究

劉 楊

（深圳市廣匯源環境水務有限公司,廣東 深圳 518100）

1 前言

三峽水利樞紐工程的興建為我國水利工程建設提供了標準的教科書式的實體工程參考樣板,也充分證明了混凝土重力壩基在類似水壩等蓄水工程中所發揮的重要作用。這一工程實例的長期穩定存在,促進了研究人員對混凝土壩基的進一步廣泛深入研究,許多研究人員對重力壩開展了具有工程實際意義的研究,溫立峰等[1]對混凝土形式的防滲墻對壩基滲流的控制作用特點,通過統計分析的方法進行了研究,研究結果表明：混凝土形式的防滲墻在眾多的透水壩基中的防滲效果明顯,對可壓縮壩基的防滲效果也較為顯著。李樹武等[2]對混凝土壩基在長期不利的地下水環境的侵蝕作用下的力學性質變化特點進行了研究,研究結果表明：混凝土力學性質對大壩安全穩定構成直接重要影響,在此類不利的水環境下,應對壩基混凝土進行長期規律性的檢測。陳會芳等[3]通過仿真模擬手段對溪洛渡水電站的大體積混凝土置換大量強風化帶時的混凝土內的溫度場、應力場變化進行了研究,仿真模擬結果表明：通過采取適當的溫控措施能夠實現有效改善由大體積混凝土帶來的應力狀態不佳導致的裂紋大量呈現問題。朱伯芳等[4]通過理論分析的方法研究了允許溫差對混凝土壩力學性質的影響。理論分析結果表明：不同形式的溫差是影響壩基力學性能最重要的指標,正臺階形的由于其他類型的溫差形式,施工過程中應促進此類溫差形式的出現。余波等[5]通過采用多種方法糅合的綜合分析手段,重力式中的壩基防滲結構體的老化問題進行了指標表征研究。研究結果表明：指示防滲結構體老化的指標有3 個：第一個為析鈣量、第二個為TDS 值、第二個為pH 值,這三個指標都可以用來指示防滲帷幕的老化機制。

由于混凝土壩基的獨特優勢,即剛度大、抗變形能力強,強度較高,因此,在水壩等水利工程中的應用十分普遍。然而,對于混凝土壩體中水流的滲透特點和壩體內水流的水力特征研究較少,本文通過一實體壩基工程研究蓄水水位條件下,壩基承載力和滲流特性的特點。

2 工程概況

該實體水壩設計剖面見圖1,構成水壩的材料主要是混凝土,而混凝土強度為C50 標準,由砂土、水泥、和石子混合攪拌而成,同時添加一定量緩凝劑,以免運輸過程中出現粘度過大不易攪出的現象,砂土為就近取材的河沙,石子就地取材的石子,水泥采用同力水泥,標號為42.5,砂土、水泥、和石子及混凝土材料的物理力學參數見表1。

表1 巖土體物理力學參數

圖1 壩基橫剖面圖

3 數值模擬

3.1 模型的建立

按照實體壩基橫剖面圖在Geostudio 軟件的seep/w 模塊構建計算用壩基模型,首先建立坐標軸,幫助對壩基坡度設置的點的定位,隨后,采用繪制多邊形的方法構建壩基輪廓,再根據表1 中的材料物理力學參數設置相應的材料,這一步主要通過輸入材料命令來建立,完成后,通過將材料賦給相應的區域,實現壩基的建模,而后建立各個邊界的力學和位移邊界條件,設置水位面,完成后進行計算。

根據壩基設計的混凝土參數,該壩基采用C50標號砼施工,壩基創建完成后見圖2,混凝土加工采用集中攪拌站加工,施工方法為從下至上的順層碾壓方法,單層碾壓厚度為0.15 m 厚,通過這種由下至上的碾壓施工,最后施工完成后的壩基截面和數值模擬中用的計算模型一致,為梯形形式的混凝土水壩,截面自身慣性矩（IY 和IZ）為7.89×109m4,底寬22 m,頂寬6 m,壩基高12 m。

圖2 數值計算用壩基模型

3.2 土條應力及強度

經過計算,結果輸出圖見圖3,圖中所示的水力流線（紅色箭頭）是實際放大了50 倍的效果。X 方向水力傳導度隨著基質吸力的變化過程見圖4。

圖3 數值模擬結果圖

根據圖3 給出的數值計算結果,前文已提及,水力流線結果圖是經過放大處理后呈現的狀態,實際的水力流線極小,如果用實際的水力流線,而不進行放大,圖中壩體內的將呈現為點狀,只有最右下角的流線能夠看出長度和箭頭,由此可見,該設計混凝土壩基工程在設計蓄水水位下十分穩定,且有效阻隔了水流的重力運動,起到了工程蓄水效果。水力流線結果說明只有在右側最下端位置處才有滲流失穩的可能性存在,且該可能性極小。

由圖4 所示X 方向的水力傳導度隨著壩體中的基質吸力變化特征曲線可知,隨著基質吸力的增大,水力傳導度逐漸降低,最開始降低緩慢,經過一定值后降低越來越快,曲線的斜率也逐漸由小增大,水力傳導度最大值為9.1×10-6m/s,最小值約為1.0×10-9m/s,壩基混凝土基質吸力的最大值約為100 kPa。

由圖3 和圖4 可以看出,該蓄水水利工程設計壩基形式合理,采用該壩基,水庫中的水能夠有效保持,同時壩基能夠長期穩定。

4 結論

通過對該實體蓄水水利工程混凝土設計壩基的計算和水力求解,主要獲得以下結論：

（1）壩基有效阻隔了水庫內水流的重力運動,只有在壩基右側最下端位置處才有滲流失穩的可能性存在,且該失穩可能性極小。

（2）X 方向的水力傳導度隨著壩體中的基質吸力增大逐漸降低,最開始降低緩慢,隨后逐漸增大。

（3）該混凝土壩基設計形式合理,采用該壩基,將使該蓄水工程水庫中能夠有效保持正常的水位狀態。