水壓力下混凝土面板堆石壩滲流分析研究

張 鐸,劉洪亮

(1.深圳粵港工程技術服務有限公司,廣東 深圳 518001;2.長江勘測規劃設計研究有限責任公司,武漢 430014)

0 引 言

混凝土面板堆石壩因其具有施工便捷、結構簡單、壩體穩定、工程造價低以及適應性良好等優點,被廣泛應用于水利工程建設中[1]。隨著水利工程建設的不斷發展,混凝土面板堆石壩的相關施工技術也隨之更新,但混凝土面板堆石壩仍然存在著滲流破壞導致堆石壩面板開裂的問題[2]。

有限元數值模擬軟件COMSOL Multiphysics是一種功能強大的建模軟件,可以利用該軟件對堆石壩壩體進行模型建模,并通過數值模擬,對堆石壩面板以及防滲墻不同工種狀態下的滲流場進行計算分析[3]。考慮到實際工程中混凝土面板堆石壩處于各種水壓環境,為了研究水壓力對裂縫滲透性的影響,通過數值計算和統計分析,對水壓下裂縫滲透系數的計算方法進行分析。同時,為了研究堆石壩面板防滲體的不同特性,對水壓力下混凝土面板堆石壩進行滲流數值模擬。根據面板所處位置不同的水壓、不同防滲墻開裂高度以及不同破壞范圍的大小等因素,對滲流場的滲流量、浸潤線以及水頭等數值進行比較分析[4]。通過對水壓力下混凝土面板堆石壩滲流的分析研究,以期為水利工程的滲流問題提供參考。

1 水壓力下混凝土面板堆石壩滲流數值模擬分析

1.1 水壓力下混凝土面板堆石壩裂縫滲透系數計算方法分析

混凝土面板堆石壩施工技術從早期的木面板拋填到如今的混凝土面板碾壓,不管是施工技術還是施工理論都在不斷發展與完善。當前的混凝土面板堆石壩因其具有施工便捷、結構簡單、壩體安全穩定、機械化程度高、工程造價低以及適應性良好等優點,已成為水利工程領域中的優選壩型[5]。

因面板開裂導致的滲流是混凝土面板堆石壩長期存在的工程問題。根據以往的混凝土面板堆石壩裂縫統計分析,可將裂縫按照寬度分為3類:Ⅰ類是指小于0.3mm的裂縫;Ⅱ類是指0.3～1.0mm的裂縫;Ⅲ類是指大于等于1.0mm的裂縫。在實際工程中,混凝土面板堆石壩最為常見的是Ⅱ類裂縫[6]。

根據工程實例研究發現,混凝土面板堆石壩產生裂縫的位置主要集中于面板的左右兩岸和面板的中下部。其中,導致面板左右兩岸產生裂縫的主要原因是壩體兩岸產生了沉降變形,而導致面板中下部產生裂縫的主要原因是壩體發生沉降、堆石體產生流變以及面板產生變形等[7]。混凝土面板堆石壩產生開裂的原因有不均勻沉降變形、施工不規范、干縮應力、溫度應力以及地震等不可抗力因素等,其中地震以及施工因素占比較小。因此可以看出,不均勻沉降變形、干縮應力和溫度應力等因素是導致混凝土面板堆石壩產生開裂的主要原因。

目前,針對滲流計算分析的方法有多種,大體可分為試驗模擬法和理論分析法兩大類[8]。具體見圖1。

圖1 滲流計算分析方法

隨著科技的發展,試驗模擬法具有試驗和解題等雙重功能,可以直觀觀察到滲流現象。因此,基于試驗模擬法的計算機數值模擬技術逐漸成為當前的主流技術。

在實際工程中產生的裂縫往往位于水下,而根據裂縫所處的位置不同,裂縫內部滲流受到所產生的水壓力影響也各不相同。不同水壓會產生流態、流速以及滲流量等的變化,從而改變整個混凝土面板堆石壩的滲流場分布。

Comsol Multiphysics是一種常被應用于裂縫巖體滲流計算的多物理場耦合模擬仿真軟件,利用該軟件對水壓力下混凝土面板堆石壩進行滲流分析[9]。設定水壓力為P,水壓力范圍取值設定為P∈[0.2,0.4,…,1.0Mpa],裂縫寬度為w,裂縫寬度的取值范圍設定為w∈[0.3,0.5,…,1.1mm],設定裂縫深度d=200mm,根據軟件模擬,可以得到裂縫流量以及滲透系數的數學表達式:

(1)

式中:F為通過裂縫的流量;K為滲透系數;α、β均為擬合參數;A為過流面積;G為水力梯度。

將裂縫寬度與擬合參數在Comsol Multiphysics軟件中進行擬合,可得到裂縫寬度與擬合參數的關系,公式如下:

(2)

由式(2)可以看出,擬合參數α與裂縫寬度e呈非線性關系。將式(2)代入式(1),可以得到在水壓力下滲透系數與裂縫寬度的關系,公式如下:

(3)

綜上所述,混凝土面板堆石壩的壩體上產生裂縫會引起滲流問題,從而影響堆石壩的安全性和穩定性。為了提高混凝土面板堆石壩的使用性能,對壩體進行滲流控制至關重要。面板開裂滲流控制的要求、方法及措施見圖2。

圖2 滲流控制的要求、方法及措施

混凝土面板作為面板堆石壩的關鍵性防滲結構,一旦產生裂縫,需要及時采取相關措施來進行滲流控制[10]。針對已出現裂縫的面板,可通過充填法、注入法以及表面覆蓋法等方式進行滲流控制[11]。此外,還可以從增強面板本身的抗裂性能方面來提高防滲效果。增強面板自身的抗裂性能可以采取的措施有:對面板堆石壩的堆石進行合理的優化和分區;采用防滲性以及變形特性均較好的瀝青混凝土面板;在面板自身的防滲基礎上鋪筑土工薄膜來加固防滲結構等。

1.2 水壓力下混凝土面板堆石壩滲流數值模擬

為了對水壓力下混凝土面板堆石壩進行滲流數值模擬,首先利用軟件構建堆石壩的三維算例模型。設置堆石壩的總長度540m,水流方向設置為沿Y軸正方向,上游和下游的河床長度分別設置為106和118m。設置堆石壩模型的總寬度545m,其中壩體寬度345m,兩岸巖體寬度各為100m。設置堆石壩位于Z坐標平面,Z軸高度107m則為大壩高度。堆石壩的三維算例模型見圖3。

圖3 堆石壩的三維算例模型圖

由圖3可知,堆石壩的三維算例模型中含有主次堆石體、防滲墻、混凝土面板、覆蓋層、墊層以及兩岸基巖等區域[12]。邊界條件設定基巖的底部、上下游邊界以及兩岸巖體的外側邊界均為不透水邊界。堆石壩壩體以及壩體兩岸巖體在下游水位以上與大氣接觸的逸出邊界,稱之為出水邊界[13]。該模型已知在正常蓄水位的情況下,上游施加200m水頭,下游施加120m水頭。由于只考慮非降雨條件下的穩定水位,且不考慮地下水,因此上下游水庫以下的水位邊界就是已知的水位邊界。通過不斷校正下游潛在的逸出邊界,就可以確定下游壩體產生的滲流面,從而計算出大壩的自由面[14]。

根據一般工程資料,確定對應的材料滲透系數,見表1。

表1 材料滲透系數

在實際工程中,混凝土面板堆石壩的面板上,往往會存在大量的、分布不均勻的裂縫。以河床為基礎面,裂縫的位置高度大部分在0～101m之間,寬度一般在0.1～1.4mm之間,裂縫的粗糙度一般在0.1～0.45之間[15]。將表1中的滲透系數代入裂縫參數,即可計算出各裂縫的滲透系數。根據面板的上游水位以及面板的長度,可以選取4種水壓強度范圍。根據水位從高到低,水壓范圍可分為:范圍一為0～0.15MPa;范圍二為0.15～0.48MPa;范圍三為0.48～0.80MPa;范圍四為0.80～1.01MPa。將對應位置高度的裂縫在以上范圍一至范圍四的4種水壓力強度下,進行滲透系數的計算,得到裂縫滲透系數分別為2.48×10-6、7.58×10-6、4.42×10-5以及5.29×10-5m/s。

利用軟件對以上數據進行數值模擬,可以得出堆石壩面板在不同水壓力下的壩內流速矢量。當范圍一發生破裂時,流速范圍為4.0×10-5～5.5×10-5m/s,其中最小流速位于壩體上游坡腳內部;當范圍二發生破裂時,流速范圍為1.5×10-5～2.3×10-4m/s;當范圍三發生破裂時,流速范圍為6.0×10-5～8.1×10-4m/s;當范圍四發生破裂時,上游壩腳處的流速最大為4.5×10-4m/s。

綜合可以看出,混凝土面板堆石壩產生面板破裂時,滲流場流速中,高流速部位的分布主要集中在面板破裂處和下游壩腳處;低流速部位主要分布在上游壩腳內部。堆石壩壩體上的裂縫位置由頂部向底部移動時,流速增大,流量也隨之增大;而當面板上的裂縫位于底部時,滲流量變化不明顯。

2 水壓力下混凝土面板堆石壩滲流數值模擬驗證

為了對水壓力下混凝土面板堆石壩滲流特性進行驗證,使用有限元模型進行數據模擬。設置的模型總長度為840m,模型整體沿Y軸方向,壩高從上游坡腳開始延伸4倍、從下游坡腳開始延伸1倍。整體模型只設置堆石壩主體結構,未設置左右兩岸的巖體,沿X軸方向的壩體寬度346.85m。設置堆石壩位于Z坐標平面,Z軸高度為107m,則大壩主體高度為107m,其中覆蓋層43m,基巖57m。

為了計算方便,設置的邊界條件不考慮地下水和降雨情況,設置壩體左右兩岸的側面邊界以及壩體基巖的底部邊界均為不透水邊界,設定在正常水位下的上游和下游水位分別為200和120m,初始水頭205m。為了分析不同水壓力下產生開裂情況的混凝土面板堆石壩的滲流控制,設置3種滲流控制方案進行對比分析,即無防滲墻的滲流控制方案設置為方案一;防滲墻深18m的滲流控制方案設置為方案二;防滲墻深30m的滲流控制方案設置為方案三,水平鋪蓋長度設置范圍為[50,100,...,350]。將以上3種方案的滲流場計算結果進行對比分析,得到不同方案與壩前水頭值的關系,見圖4。

圖4 不同方案與壩前水頭值的關系

由圖4可知,方案一中,當水平鋪蓋為50～200m范圍內時,隨著水平鋪蓋長度的增加,壩前水頭值對應減少,減少幅度9.7%;當水平鋪蓋大于200m時,壩前水頭值維持在140m不變。方案二中,當水平鋪蓋為50～250m范圍內時,隨著水平鋪蓋長度的增加,壩前水頭值對應減少,減少幅度16.1%;當水平鋪蓋大于250m時,壩前水頭值維持在130m不變。方案三中,隨著水平鋪蓋長度由50m增加至300m,對應的壩前水頭值從165m降低至130m,降低幅度21.2%;當水平鋪蓋大于300m時,壩前水頭值維持在130m不變。綜上可以看出,方案三的壩前水頭值下降幅度最大,與其他兩種方案相比具有更好的防滲效果。

為了驗證防滲控制中防滲墻在實際應用中的防滲效果,將3種方案下各部位的滲流量進行對比分析,見圖5。

圖5 3種方案下各部位的滲流量對比圖

由圖5(a)可知,防滲墻深度分別為0、18和30m的3種方案下通過防滲墻的滲流量,都是隨著水平鋪蓋長度的增加而減小。其中,當水平鋪蓋為0m時,防滲墻深度為0m的方案一達到最大滲流量為8.0×10-4m3/s,此時方案二、方案三的滲流量分別為7.0×10-4和6.0×10-4m3/s。當水平鋪蓋為350m時,方案一、方案二、方案三的滲流量分別為4.0×10-4、2.5×10-4和2.5×10-4m3/s。可以看出,通過防滲墻產生的最大流量差為4.5×10-4m3/s;當水平鋪蓋為150m時,3種方案均達到穩定值。

由圖5(b)可知,當水平鋪蓋為0m時,方案一、方案二、方案三通過堆石區的滲流量分別為1.5×10-4、7.5×10-5和5.0×10-5m3/s。當水平鋪蓋為350m時,方案一、方案二、方案三的滲流量分別為5.0×10-5、4.5×10-5和4.5×10-5m3/s。通過堆石區產生的最大流量差為1.0×10-4m3/s;當水平鋪蓋為150m時,3種方案均趨于穩定不變。

由圖5(c)可知,當水平鋪蓋為0m時,方案一、方案二、方案三通過壩基的滲流量分別為4.0×10-5、2.5×10-5和2.2×10-5m3/s。當水平鋪蓋為350m時,方案一、方案二、方案三的滲流量分別為2.3×10-5、1.5×10-5和1.5×10-5m3/s。通過壩基產生的最大流量差為1.7×10-5m3/s;當水平鋪蓋為200m時,3種方案均達到穩定值。

綜合可以看出,水平鋪蓋的長度對減小滲流量的作用有限,有效的最大長度為200m。滲流控制中,有無設置防滲墻對滲流場的影響極為明顯,方案一產生的流量差最大;方案三的滲流控制效果最為顯著。

3 結 論

為了分析水壓力下混凝土面板堆石壩的滲流問題,本文建立了一種水壓力下混凝土面板堆石壩裂縫滲透系數的計算方法,同時針對堆石壩面板防滲體的不同特性,對水壓力下混凝土面板堆石壩進行了滲流數值模擬。結果顯示,方案一中,當水平鋪蓋為50～200m范圍內時,壩前水頭值減少9.7%;方案二中,當水平鋪蓋為50～250m范圍內時,壩前水頭值減少16.1%;方案三中,當水平鋪蓋為50～300m范圍內時,壩前水頭值減少21.2%。通過防滲墻、堆石區以及壩基產生的最大流量差分別為4.5×10-4、1.0×10-4及1.7×10-5m3/s。研究表明,防滲墻深30m的滲流控制具有更好的防滲效果。