土石壩對水流重力運動的影響研究

孫壽富

（蘭陵縣水利建筑安裝公司,山東 蘭陵 277731）

1 前言

各類蓄水工程中普遍采用修筑成本低廉的土石壩進行攔水壩的施工。為了能夠對土石壩的工作性能有明確認識,許多學者對土石壩工程的壩體及壩基的各類相關力學性質和特點開展了廣泛研究,吳世余等[1,2]對堤壩滲流的計算方法開展了研究,通過提出與堤壩相關的流態分區概念,試圖建立一種更為簡單的求解計算方法,隨后又提出來基于流量固定的上下游水流流態互不干擾法則用來對堤壩滲流進行計算,結果表明：采用常用的努美羅夫理論解對上述方法進行驗證,證明了該方法的確實可以用來對堤壩滲流進行計算,同時采用柯欽娜理論解的驗證結果也證明了這一點。劉子方等[3]針對堤壩實際狀態的非穩定滲流狀態進行了研究。研究結果表明：由于邊界條件和上游水位復雜多變,求解困難,而新提出的計算非穩定滲流的計算模型經過監測資料的驗證,證明了對求解此類問題的有效性。李維朝等[4]對堤壩運行過程中兩種最常見的滲透破壞形式,管涌集中滲流沖蝕,沿裂縫沖蝕進行了研究,研究結果表明：水力剪應力相比于水力坡降、水流流速兩個指標,更能有效指示裂縫沖蝕起動,因此,盡管較難直接量測,但是仍應作為判別由裂縫造成的沖蝕起動的判別指標。姜樹海等[5]針對堤壩防洪工程老化問題可能引起的各種風險發生可能性逐漸提高的時變特性進行了研究,研究結果表明：Bayes 方法可用來對這類隨機量造成的隨機風險性進行計算分析,而在此過程中需利用盡可能多的先驗信息,并且對相關參數做到實時采樣更新。朱萍玉等[6]提出了一種采用監測溫度的方法對堤壩滲流造成的安全問題進行監測。模型實踐研究結果表明：分布式光纖模擬裝置監測系統能夠對不同水溫條件下的堤壩滲流程度進行重復模擬,對不同浸潤線條件下的堤壩滲流程度進行建模分析模擬,該監測系統為堤壩安全系數的量化研究提供了一個有效平臺。李新華等[7]通過對爾王莊水庫堤壩運行過程中的滲流監測數據進行詳細分析研究,研制出建立于相應滲流監測數據基礎上的各類堤壩滲流參數的時變模型,并提出和開發了基于MATLAB 平臺的滲流參數神經網絡預測模型,并用實測值對該滲流模型進行了驗證。結果表明：該滲流參數神經網絡預測模型能夠有效預測滲流參數的遠期變化,從而為堤壩滲流風險識別提供幫助。廖紅建等[8]對水庫堤壩中的各向同性土坡在飽和-非飽和狀態下的滲流特性進行了研究。研究結果表明：通過時間和空間離散化方法處理堤壩滲流場的動態變化,對壩坡進行穩定性分析能夠得出滲流與邊坡破壞的內在聯系。涂向陽等[9]利用實測土內的水頭位置數據建立的數值模型進行了堤壩滲流的數值模擬。模擬結果表明：全封閉高壓噴射手段為壩體內建立灌漿防滲墻的壩體加固方案對壩基加固效果明顯。沈振中等[10]基于變分原理和罰函數法,建立了用于處理堤壩滲流問題的基本方程,并通過實例研究了其有效性。研究結果表明：建立的基本方程是正確的,且計算精度和計算效率均比較高,可用于求解堤壩滲流問題。蘇永軍等[11]利用有限元軟件建立數值模型,水位漲落造成的海堤滲流問題進行了數值模擬,結果表明：各主要參數組成的盒維數變化隨水位漲落而發生變化,各單個參數的變化過程和趨勢不同,同時說明分維值是一種簡潔的方法。

以上學者的成果斐然,但是,均未開展堤壩滲流特點的詳細分析研究。本文依托實際堤壩工程,開展上流蓄水條件下,水流在壩體內的滲流特點研究,這一分析研究過程主要通過Geo-studio 軟件來開展,通過以實際工程形態特點進行建模分析,計算求解,獲取結果,對結果進行解析。

2 工程概況

該實體蓄水堤壩工程位于貴州省境內,堤壩邊坡橫剖面見圖1,構成堤壩的材料主要是碎石土,其主要組成材料有：粘土、砂土、不同顆粒直徑的碎石,各類材料的及壓實碎石土的相關物理力學參數見表1。

表1 土石壩材料物理力學參數

圖1 堤壩邊坡橫剖面圖

3 數值模擬

3.1 模型的建立

Slope 模塊是存在于Geostudio 軟件中的一個專門用來做滲流分析的一個模塊,在此模塊中構建實體堤壩輪廓,設置表1中相應的材料參數,將相應區域進行材料賦值,同時設置好水位面,最后進行分析求解計算[12,13]。

根據相應的堤壩設計,該堤壩設計成直角梯形截面,直角邊臨近水邊,見圖2,壩基基底寬18 m,頂寬9 m,高12 m,壩基截面自身慣性矩（IY 和IZ）為7.89×1015m4,設計安全系數為1.5。

圖2 蓄水水庫壩基滲流計算模型

3.2 滲流特征及水通量

數值模擬最終的滲流結果圖見圖3。X 方向的水通量隨著距離的變化過程見圖4。

圖3 滲流數值計算結果圖

圖4 壩基X 方向水通量變化圖

圖3為最終計算完成后的滲流特征圖,圖中所示黑色箭頭為碎石土中水流通過的方向及最終在最右側呈現出的走向,從圖中黑色箭頭在壩基右側的出露情況可知,壩基右側水流通過時,從基底Y=0 位置開始向上到達Y=4 位置處均有黑色箭頭出露,表明水流通過土體后在右側呈現一定的滲流出露特征,而且從上到下呈現出逐漸增大的趨勢,水流在壩基土體內總體呈現由左上向右下的運動趨勢,水流向右下方匯聚,越向右下方水流越大。總水頭云圖顯示,從左向右,總水頭逐漸減小,且越靠近右側臨空位置,總水頭降低越快,這與水流向右下端的匯聚特點一致。

圖4所示為壩基X 方向水通量隨距離X 的變化趨勢圖,由圖可知,壩基X 方向的水通量由X 距離從小到大,在X=0 m～20 m 范圍內,呈現出微向上方凸起的對稱弧形,在20 m 處有一個向下的突變,這一點整對應前述分析的壩體右側上方滲流出露點的X 坐標值,隨后又以一較小角度上升至與最初值相近的水通量值,約為3.6×10-7m3/（s·m2）。

4 結論

本文通過對土石壩在上游蓄水條件下的滲流特征的分析研究,獲得了相應的滲流參數隨著在壩基內的位置變化而呈現的特點,主要獲得以下結論：

（1）水流通過土體后在右側呈現一定的滲流出露特征,而且從上到下呈現出逐漸增大的趨勢。

（2）水流在壩基土體內總體呈現由左上向右下的運動趨勢,水流向右下方匯聚,越向右下方水流越大。

（3）壩基X 方向的水通量在X=0 m～20 m 范圍內,呈現出微向上方凸起的對稱弧形,在X=20 m處有一個向下的突變,隨后上升至最初值大小為3.6×10-7m3/（s·m2）的水通量。