高沥青混凝土心墙坝在局部损伤开裂情况下的渗流特性分析

刘文龙

(吉安市水利水电规划设计院，江西 吉安 343000)

沥青混凝土心墙坝在施工过程中处理不当或者经长期运行后坝体不均匀沉降等问题，将导致大坝心墙局部产生裂缝，这些裂缝影响大坝的整体稳定性，甚至会造成坝体渗漏、坝坡失稳甚至溃坝等严重后果。因此，对心墙局部裂缝情况下的渗流特性进行分析[1-4]十分必要。

杨灿等结合某高沥青心墙土石坝工程，构建了渗流水位、温度、降雨以及时效因子之间的统计回归模型，且被证明是合理可行的[5]；寇甲兵[6]、陈松[7]等利用ANSYS数值分析软件对沥青混凝土心墙坝的渗流特性进行分析，主要研究水位变化对渗流特性的影响情况；叶发文[8]、肖亚子[9]等对复杂环境下的心墙坝变形稳定性进行了分析；周劲松进行了心墙局部裂缝影响下的坝体渗流场演化特征分析，发现心墙中的裂缝位置距离坝基越近时,对坝体的整体渗流稳定性越不利[10]。

高沥青混凝土心墙坝将是今后建坝的一个新趋势，在高水头以及裂缝影响下，坝体的渗流量、水力坡降以及渗流流速等水力因素均会发生不同程度的改变。针对这方面系统研究还比较少，故本文在总结前人研究理论基础上，开展高沥青混凝土心墙坝在局部开裂情况下的渗流特性分析。

1 模拟分析方案

1.1 模型建立

沥青混凝土心墙坝模型高125 m，上下游坝坡坡比均为1∶2，防渗体系包括沥青混凝土心墙和帷幕灌浆，坝体材料包括主堆石体、下游堆石体、过渡料和排水棱体。利用SEEP-3D模拟计算分析软件，采用六面体网格划分法，模型的X轴范围为(-25 m,25 m)、Y轴范围为(1 072 m,1 347 m)、Z轴范围为(-484.25 m，462.5 m)，将模型划分为154 925个单元体共计165 388个节点，见图1。

图1 数值模型网格划分图

1.2 计算工况说明

本次分析计算共涉及两百多种工况，主要情况为：①5种裂缝宽度(10、20、30、40和50 mm)；②3种心墙裂缝缝长(2、4和6 m)；③1-5号裂缝位置(1号缝自坝基向上100 m起、2号缝自坝基向上75 m起、3号缝自坝基向上50 m起、4号缝自坝基向上25 m起、5号缝为自坝基起)。按照正交试验法，对所有工况进行了模拟分析，并对4号裂缝单独进行不同水头作用和材料渗透系数下的渗流特性分析。各材料的计算参数具体取值情况见表1。

表1 各材料的计算参数取值

1.3 计算模型

由于无缝沥青混凝土心墙的渗透系数很小，其渗透系数值小于1E-10 m/s量级，因此当局部裂缝出现之后，沿同个方向的裂缝宽度基本上是没有变化的，故而仍可以借助多孔介质的渗流理论，即裂缝处单位宽度的渗流量可以用如下公式表示：

(1)

式中：b为裂缝宽度；v为运动黏滞系数；vb为裂缝处的渗流速度；J为裂缝处水力坡降；g为重力加速度。

2 分析结果

2.1 局部裂缝位置对渗流量的影响

不同裂缝在坝体不同位置时的渗流量关系曲线见图2。从图2中可以看到，当裂缝宽度一定时，随着裂缝位置从坝基往坝顶方向转移，裂缝处的渗流量逐渐呈线性降低。这是因为心墙裂缝所处位置越低，所承受的压力水头越高，根据达西定律，当渗流流径不变时，流量会随着水头的增大而增大，因此裂缝越往下，渗流量越大。

图2 裂缝位置对渗流量影响

2.2 局部裂缝缝宽对渗流量的影响

当裂缝长度一定时，缝宽对渗流量的影响见图3。从图3中可以看到，位置和长度一定时，随着缝宽的增加，渗流量呈线性增加；以坝基起100 m处裂缝为例，在缝宽分别为10、20、30、40和50 mm时，对应的渗流量分别为11、17、23、28和34 mm。对数据进行线性拟合分析，可得到增加单位裂缝宽度时，渗流量会相应增加0.57(即渗流量梯度增加)。同理分析得到自坝基起、自坝基向上25 m起、自坝基向上50 m起、自坝基向上75 m起处裂缝的渗流量梯度分别为1.43、1.1、0.93以及0.74，渗流量梯度随着位置的降低呈线性减低趋势。

图3 缝宽对渗流量影响

2.3 局部裂缝长度对渗流量的影响

缝宽一定时，随着缝长的增加，裂缝处的渗流量基本也呈线性增长，见图4(a)。当裂缝的长度大于80 m后，渗流量的增长幅度有所减缓；当裂缝从坝基开始全部开裂时(1-5号裂缝均存在)，渗流量随缝宽的增加呈幂函数型性略微增加，增长幅度较小，见图4(b)；裂缝在宽度上增加一倍时，对应的渗流量的增加量小于裂缝在长度上增加一倍渗流增加量小，表明缝长是影响渗流场的主要因素，而缝宽并不是影响渗流场的主要因素。这是因为裂缝在向宽度上发展的时候，其影响范围增幅较小，当在长度上发展的时候，影响范围的增幅量较大，虽然增加长度会降低压力水头，但由于影响范围增幅值较大，因此导致渗流量发生较大变化。

图4 缝长对渗流量的影响

2.4 堆石体与过渡料渗透系数变化对渗流量影响

当仅4号缝开裂时，分别对堆石体以及过渡料的渗透系数进行改变，得到渗流量与不同材料渗透系数变化的相关关系，见图5。从图5中可以看到，随着堆石体渗透系数的增大，心墙裂缝处的渗流量也逐渐增大，增幅情况与缝宽变化情况类似，即增幅在逐渐减小，渗透系数越大，因缝宽差异带来的渗流量的差值反而越小。随着过渡料渗透系数的增大，其渗流量的变化特征与堆石体相比存在明显差异，裂缝处渗流量随渗透系数增大呈指数型函数增长。当过渡料渗透系数小于0.001 m/s时，增长幅度较缓；当渗透系数大于0.001 m/s后，增长幅度较大。相较于堆石体渗透系数，过渡料的渗透系数是影响渗流场的一个主要敏感因素之一，当沥青混凝土心墙产生裂缝过后，过渡料的材料性质对渗流量起着决定性作用。

图5 材料渗透系数变化对渗流量的影响

3 结 论

1) 心墙裂缝位置越低，渗流量越大，并随高程增加呈线性递减趋势；随着缝宽的增加，裂缝处渗流量呈线性增长，渗流量梯度随着位置的降低呈线性减低趋势。

2) 裂缝越长，渗流量越大，且增长幅度较大，相较于缝宽而言，缝长是影响渗流量的主要因素。

3) 堆石体材料渗透系数越大，裂缝处的渗流量越大，且呈线性关系；渗流量随过渡料渗透系数的增加呈指数型函数增长，过渡料渗透系数对心墙裂缝的渗流量起着关键性作用。