變坡度截面水利大壩在超高蓄水條件下的性能研究

章國(guó)才，熊志軍

(湖北省漢江河道管理局 杜家臺(tái)分洪閘管理分局，湖北 仙桃 433000)

1 概 述

水利工程大壩常被用于蓄水發(fā)電，攔截上游水流，防洪防澇，或用來(lái)調(diào)節(jié)市域間的水量分配。大壩的橫截面形式與大壩高度及預(yù)期蓄水量有很大關(guān)系。許多學(xué)者對(duì)各類型水力大壩工程在設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營(yíng)期的安全穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。譚峰屹[1]采用碾壓試驗(yàn)方法，對(duì)爆破填筑料在施工中的最佳灑水量進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，灑水量在5%～10%時(shí)，爆破填筑料的壓實(shí)量最好，孔隙率降到最低，達(dá)到最優(yōu)力學(xué)性能狀態(tài)。黃朝君等[2-3]對(duì)丹江口大壩40年運(yùn)營(yíng)以來(lái)出現(xiàn)的裂縫治理問(wèn)題進(jìn)行了分析，結(jié)果表明壩體裂縫的治理應(yīng)分水下治理和水上治理兩個(gè)部分綜合開(kāi)展，為了使加高后的大壩發(fā)揮加高價(jià)值，保證結(jié)構(gòu)安全，應(yīng)對(duì)處理后的裂縫進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)。黃本忠等[4-5]對(duì)大壩運(yùn)營(yíng)期信息獲取中易出現(xiàn)的各類問(wèn)題進(jìn)行了研究，結(jié)果表明通過(guò)建設(shè)大壩安全運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)程序，能夠較快獲取大壩運(yùn)營(yíng)期的各方面不利信息。張翱等[6]通過(guò)總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)加固工程的排險(xiǎn)施工效果、施工情況與過(guò)程總結(jié)，對(duì)排險(xiǎn)加固工程的設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行了分析討論。結(jié)果表明，抓住枯水期這一有利時(shí)機(jī)開(kāi)展加固及改進(jìn)工程的施工，是對(duì)大壩主體建筑及其他附屬設(shè)施工程進(jìn)行升級(jí)改造的重要手段。王媛怡等[7]為避免大壩長(zhǎng)期在有水環(huán)境中的水化學(xué)污染，對(duì)用于保護(hù)大壩混凝土表面的防護(hù)涂層的選擇和性能特征進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，多種復(fù)合材料組成的復(fù)合涂料是當(dāng)前廣泛采用和今后混凝土表面涂層材料的重要發(fā)展方向。陳昂等[8-9]對(duì)水庫(kù)大壩建設(shè)的各階段工程中，與各階段工程相關(guān)的生態(tài)文明建設(shè)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在建設(shè)各階段工程中，生態(tài)文明建設(shè)實(shí)施的方式和途徑不一。具體實(shí)施時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)各階段工程生態(tài)文明建設(shè)實(shí)施過(guò)程之間的聯(lián)系。尹正宇等[10-11]研究了西藏旁多水利樞紐工程后期運(yùn)營(yíng)中所運(yùn)行的一套安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行情況。結(jié)果表明，該自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)適用于高海拔地區(qū)的大壩運(yùn)營(yíng)期的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)。

本文依托長(zhǎng)江支流的某水利大壩工程，開(kāi)展變坡度截面的大壩設(shè)計(jì)形式在超高蓄水水位條件下的穩(wěn)定和相關(guān)水力特性研究，采用Geo-Studio軟件對(duì)變坡度截面設(shè)計(jì)的下游端大壩形式的性能進(jìn)行研究。

2 工程概況

該實(shí)體變坡度截面大壩位于我國(guó)長(zhǎng)江支流，大壩采用混凝土修筑，大壩形式為重力式大壩，上游端采用垂直的截面形式，下游端為由緩至陡的變坡度截面形式，大壩的修建對(duì)于防治洪災(zāi)、澇災(zāi)至為關(guān)鍵，大壩具體橫斷面形式見(jiàn)圖1。大壩垂直截面由底至頂總高約20m，大壩底部總長(zhǎng)約37m。大壩從下至上由4種材料組成，最下層為C40混凝土，向上依次為砂卵石質(zhì)黏土層、碎石土層、夯實(shí)黏土層。各層材料的物理力學(xué)性能見(jiàn)表1。

圖1 實(shí)體大壩橫斷面圖

表1 各層材料物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

Geo-Studio軟件在建模方面有著良好的用戶交互界面，十分便捷，為建立各類工程模型提供了方便。本文采用模塊化建模方式，從下至上依次按照各層高度和多邊形形式對(duì)壩體進(jìn)行模型構(gòu)建。根據(jù)圖1，先將最下層大壩輪廓繪制出來(lái)，然后再建立其上層大壩壩基，依次構(gòu)建，直至整個(gè)模型構(gòu)建完成，見(jiàn)圖2。為了模擬大壩模型圖，圖2與圖1中的大壩原始模型一致。

圖2 構(gòu)建的大壩模型圖

3.2 大壩的水力分布

為了說(shuō)明壩體設(shè)計(jì)的安全性，分別繪制壩體內(nèi)的飽和度分布圖、壩體內(nèi)的X方向水力傳導(dǎo)度、壩體內(nèi)的壓力頭偏差圖、壩體內(nèi)的水通量圖。

3.2.1 大壩內(nèi)的飽和度變化

為了研究超高蓄水水位條件下的大壩壩基內(nèi)飽和度變化特征，繪制并導(dǎo)出大壩內(nèi)的飽和度變化云圖，見(jiàn)圖3。

圖3 大壩內(nèi)的飽和度變化云圖

由圖3可知，設(shè)置超高蓄水水位條件下，經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算，大壩壩基內(nèi)的飽和度變化特征總體呈現(xiàn)沿深度方向逐漸增大，最小飽和度為0.74，最大飽和度為0.98。從飽和度沿上游壩基的分布可以看出，最大飽和度分布區(qū)占大壩截面的幾乎全部高度，高約18m。而從上游向下游沿水平方向，飽和度也呈現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢(shì)，總體變化速率、梯度一致，約為1.44/m。可以看出，下游最大飽和度分布區(qū)約占1/4壩基高度，最大飽和度小于1，表明該壩基設(shè)計(jì)形式和材料選擇合理，且有效阻斷了水流向下游的滲流運(yùn)動(dòng)。

3.2.2 X方向水力傳導(dǎo)度特征

經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算后，繪制并導(dǎo)出壩體內(nèi)的X方向水力傳導(dǎo)度圖，見(jiàn)圖4。

由圖4可知，設(shè)置超高蓄水水位條件下，經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算，大壩壩基內(nèi)的X方向水力傳導(dǎo)度變化特征總體呈現(xiàn)沿深度方向逐漸增大，最小X方向水力傳導(dǎo)度為2e-7m/s，最大X方向水力傳導(dǎo)度為2.4e-6m/s。從X方向水力傳導(dǎo)度沿上游壩基的分布可以看出，最大X方向水力傳導(dǎo)度占大壩截面的幾乎全部高度，高約17.9m。而從上游向下游沿水平方向，X方向水力傳導(dǎo)度也呈現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢(shì)，總體變化速率、梯度呈現(xiàn)靠近最大值位置范圍內(nèi)的區(qū)域大，約1e-7m/s；隨著與最大值位置的距離逐漸變大，X方向水力傳導(dǎo)度的變化速率也逐漸變小，最小約2e-9m/s。

圖4 大壩X方向水力傳導(dǎo)度

3.2.3 大壩的壓力頭偏差

壩體內(nèi)壓力頭偏差圖見(jiàn)圖5。

圖5 壩體內(nèi)壓力頭偏差圖

由圖5可知，設(shè)置超高蓄水水位條件下，經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算，大壩壩基內(nèi)的壓力頭偏差總體呈區(qū)域性不規(guī)則分布特征，最小壓力頭偏差4e-3m，最小壓力頭偏差分布區(qū)域位于壩體最上端位置；最大壓力頭偏差為2e-3m，最大壓力頭偏差分布區(qū)域位于上游壩體最下端位置。總體變化速率、梯度呈現(xiàn)靠近最大值位置范圍內(nèi)的區(qū)域大，約為1e-4(量綱為1)；隨著與最大值位置的距離逐漸變大，壓力頭偏差變化速率也逐漸變小，最小約為1e-5(量綱為1)。

3.2.4 水流傳導(dǎo)率特征

壩體內(nèi)的水通量圖見(jiàn)圖6。

圖6 壩體內(nèi)的水通量圖

由圖6可知，設(shè)置超高蓄水水位條件下，經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算，大壩壩基內(nèi)的水通量圖變化特征總體呈現(xiàn)從上游至下游方向逐漸減小的變化趨勢(shì)，最小水通量為-2.6e-6m3/s·m2，最大水通量為8e-7m3/s·m2。從水通量沿上游壩基的分布可以看出，最小水通量占大壩截面的幾乎全部高度，高約17.8m。而從上游向下游沿水平方向，水通量呈現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢(shì)，總體變化速率、梯度呈現(xiàn)靠近最小值位置范圍內(nèi)的區(qū)域變化速率大，約為6e-7 m3/s·m3；隨著與最大值位置的距離逐漸變大，水通量變化速率也逐漸變小，最小約為1e-10 m3/s·m3。

4 結(jié) 論

1)大壩壩基內(nèi)最小X方向水力傳導(dǎo)度為2e-7m/s，最大X方向水力傳導(dǎo)度為2.4e-6m/s，變化速率最大約為1e-7m/s，最小約為2e-9m/s。

2)大壩壩基內(nèi)的壓力頭偏差總體呈現(xiàn)區(qū)域性不規(guī)則分布特征，最小壓力頭偏差為4e-3m，最大壓力頭偏差為2e-3m；壓力頭偏差變化速率最大約為1e-4(量綱為1)，最小約為1e-5(量綱為1)。

3)壩基下游最大飽和度分布區(qū)約占1/4壩基高度，最大飽和度小于1，表明該壩基設(shè)計(jì)形式和材料選擇合理，且有效阻斷了水流向下游的滲流運(yùn)動(dòng)，可為類似壩基工程的設(shè)計(jì)提供參考。