混凝土面板堆石壩止水失效滲透特性研究

陳 樂

(新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

面板堆石壩中存在周邊縫、垂直縫及水平縫等多種接縫，而每一種接縫均對應有效的止水結(jié)構(gòu)來防止面板壩發(fā)生滲漏現(xiàn)象。但是，當接縫止水結(jié)構(gòu)未達到設(shè)計效果時，即出現(xiàn)止水失效時，就會影響墊層及過渡層的滲透穩(wěn)定性，進而危及壩體安全[1]。所以，面板壩止水失效時墊層、過渡料等分區(qū)及覆蓋層的滲透穩(wěn)定性，壩體滲流場分布及大壩安全性等問題都值得重點研究[2]。鑒于此，本文針對止水失效時面板壩的集中滲流問題進行研究。為設(shè)計者提供可靠的依據(jù)，設(shè)計出具有合理分區(qū)的面板堆石壩，從而確保工程的安全性，并進一步論證壩體材料分區(qū)的合理性[3]。

目前關(guān)于面板堆石壩各主要分區(qū)的滲流特性有一定的研究。墊層及過渡層依據(jù)級配及壓實度控制，雷諾數(shù)通常較小，可以通過達西定律對這兩個分區(qū)的滲流規(guī)律進行描述，而堆石區(qū)情況比較復雜，國內(nèi)外有關(guān)滲流機理的研究相對較少[4]。對于堆石區(qū)的滲流機理主要有以下兩種觀點：一是當流體通過墊層及過渡層后，到達堆石區(qū)的滲流水頭就會很小，進而導致該區(qū)流速較小，所以即使該區(qū)的顆粒粒徑較大，雷諾數(shù)也會較小，從而其滲透規(guī)律滿足達西定律；二是如果堆石區(qū)的細粒含量較少時，該區(qū)的滲流規(guī)律可能會偏離達西定律[5]。

1 研究方法

1.1 面板堆石壩止水失效時計算模型

面板堆石壩主要有以下特點：面板的滲透系數(shù)比較小，一般在1×10-9m/s量級，基本可以認定為不透水，面板堆石壩止水失效后沿同一個方向的裂縫寬度基本相同?？p隙處的單寬流量如式(1)所示：

(1)

式中：q為裂隙內(nèi)單寬流量，m2/s；g為重力加速度，m/s2;b為裂寬，m；J為裂隙內(nèi)水力梯度的大??；v為水的動力黏度。

1.2 計算模型

本文估算了接縫失效單元的滲透系數(shù)，并考慮到失效縫內(nèi)充填了大量顆粒，所以結(jié)合工程的精度，考慮工程的實際和合理性，指定失效縫單元的滲透系數(shù)為1.0×10-3m/s[6]。改變不同位置和不同寬度的失效單元滲透系數(shù)，模擬止水失效不同工況。模型底部及兩側(cè)采用不透水邊界，上、下游為定水頭邊界，其中上游邊界為3992.00 m，下游邊界為3897.92 m。

為了能夠全面合理的反應面板堆石壩失效縫下的集中滲流特點，本文選取10 mm、20 mm、30 mm、40 mm及50 mm五個級別寬度的垂直失效縫，縫長均取5 m，從壩頂至壩基選5個垂直縫失效位置，周邊縫按照通長失效計算。

局部數(shù)值模型的坐標選取以及模型的計算范圍選擇為：河流的橫河向為X軸，指向左岸為正，零點為模型正中心，河床中心沿橫河向選取標準剖面的四塊面板寬度(共計48 m)；順河向為Z軸，指向下游為正，零點為壩軸線處，沿順河向由趾板處向上游延伸200 m，由下游壩坡坡腳處向下游延伸200 m；垂向為Y軸，垂直向上為正，零點為絕對高程對應零點位置，垂向由帷幕底部(3780.00 m 高程)向下延伸150 m。具體坐標范圍為：X向坐標范圍為-24～24 m，Y向坐標范圍為3630～3997 m，Z向坐標范圍為-376.831～396 m。本次計算中網(wǎng)格的劃分采用六面體等參數(shù)單元，橫縫處的尺寸較小，采取局部加密的模式，模型共劃分單元數(shù)190 788個，節(jié)點數(shù)204 120個。垂直縫編號及位置如表1所示，有限元模型材料計算參數(shù)如表2所示。

2 水頭等值線及浸潤面計算結(jié)果

不同縫寬下的不同失效位置處的浸潤面高程值如表3所示。

表3是10～50 mm縫寬單縫失效和同時失效的浸潤面高程表。從表中可以看出：當單縫失效時，其浸潤面位置基本相似，壩基等勢面分布情況也基本相似。結(jié)合表中數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：

(1)單縫失效時，縫長一定，縫的相對位置及縫寬對壩體浸潤面的位置不敏感。表中如10 mm 和50 mm 縫寬的僅1號縫及僅2號縫失效時，帷幕灌漿下游側(cè)浸潤面分別為 3916.31 m、3916.36 m 和3918.02 m、3918.02 m，大壩出逸點浸潤面分別為3898.21 m、3898.21 m 和 3898.39 m、3898.39 m，當縫的位置開始變化時，尤其是相對位置和縫寬變化時，滲流出口處滲透的浸潤面變化較小，在帷幕下游側(cè)，滲透的浸潤面變化值均在1 m內(nèi)，這是因為縫寬大小及其相對位置在一定范圍值內(nèi)對大壩滲流量影響不大，且通過裂縫處的滲流量均比較小。當失效縫縫長一定時，集中滲流影響失效縫周圍墊層水頭值，水頭等值線向下游移動，但是隨著裂縫位置的變化，裂縫處水頭等勢線基本沒有變化。而隨著縫寬的加大，裂縫處水頭等值線范圍有較小的增加，即裂縫對滲流的影響范圍有較小的擴大。

表1 垂直縫編號及位置

表2 材料計算參數(shù)

(2)當五縫同時失效情況，其浸潤面的位置及壩基等勢面分布情況也基本與單縫失效時相似。結(jié)合表中對比10 mm 縫寬僅3號縫失效及50 mm縫寬五縫同時失效情況，五縫同時失效時帷幕灌漿下游側(cè)浸潤面及滲流出口處浸潤面位置高程值比單縫失效時分別高4.92 m和0.10 m，所以隨著縫寬的增加，滲流量增加，面板后的浸潤面位置有一定的升高，但幅度不大。所以這兩工況的浸潤面均比單縫失效工況結(jié)果有明顯的升高。

表3 不同縫寬下不同失效位置處的浸潤面高程

綜上分析，單縫失效后失效工況下壩體浸潤面均比較低，主要由于墊層后過渡層及堆石體的滲透系數(shù)均較大，使得滲流水易于向下游排出，所以當縫長一定時浸潤面位置較低。當失效效果為單縫失效時，裂縫位置相對浸潤面位置、壩體及壩基水頭等勢面基本都沒有影響，對于裂縫寬度次之，其對浸潤面位置、壩體及壩基水頭等勢面影響較小，而裂縫長度及墊層滲透系數(shù)影響較大，隨著縫長及墊層滲透系數(shù)的增大，經(jīng)過裂縫處的水流就會增大，導致經(jīng)過裂縫處的滲流量會大大增加，最終會導致在浸潤面的位置、壩體及壩基水頭等勢面中都會有較大幅度的變化。

3 結(jié) 論

本文采用有限元計算方法，重點分析研究了面板出現(xiàn)開裂及止水失效情況下發(fā)生的集中滲流問題。主要研究了垂直縫和周邊縫兩種縫失效情況下失效縫區(qū)的滲流場，對垂直縫主要研究了失效縫的相對位置、縫寬及縫長變化等工況；對周邊縫主要研究了不同縫寬時裂縫通長失效等工況，主要得到的結(jié)論：單縫失效工況下，縫寬及其他因素不變，失效縫中心位置的降低，失效縫處的滲流量增加，墊層、過渡層中心及滲流出口處的滲透坡降也隨之增加，但是防滲帷幕處最大水力坡降反而產(chǎn)生微小的降低，所以隨著失效縫位置的降低，反而對壩體的滲透穩(wěn)定性越不利。另外，失效縫的相對位置對滲流場并不敏感。