变化水位下某碾压混凝土重力坝扬压力研究

牛文龙，徐鹏飞，秦 景

(1.北京中水科工程集团有限公司，北京 100048；2.中国水利水电科学研究院，北京 100044)

1 概述

碾压混凝土重力坝由于其施工进度快、造价低、施工方便、适应环境能力强等特点被广泛采用，在我国绝大多数地区建造了数百座[1]。然而，由于碾压混凝土坝是采用分层碾压施工，由于温度、风速、施工方式等原因会导致碾压混凝土层面出现施工冷缝，从而导致水流通过冷缝渗漏[2]。因此，研究碾压混凝土坝扬压力的分布和大小，对碾压混凝土坝的渗流安全起到至关重要的作用。吴艳等[3]学者针对新疆地区在低端建设条件下第一座百米级全断面碾压混凝土重力坝进行分析，发现水位是影响横缝开合度和坝体水平位移的主要因素。张斌[4]在分析碾压混凝土相关坝体渗透系数基础上，对百米级三级配碾压混凝土坝进行了渗透稳定计算。梁嘉琛[5]对某重力坝渗透压力的预测分析，并与ARIMA、ANN模型结果进行对比分析。白正雄等[6]选取了重力坝典型坝段，评价了地基的渗流场分布特征和防渗排水系统的渗流控制效应，对渗控体系进行了优化设计。结果表明，渗流经过防渗帷幕和排水孔的排水降压作用后，地基的孔隙水压显著降低，防渗排水系统的渗控效果显著。李明超等[7]针对碾压混凝土重力坝的渗漏问题，以某实际的高碾压混凝土重力坝防渗结构为研究对象，实现了基于伽辽金法的渗控结构渗流数值模拟分析，以"变态混凝土-二级配碾压混凝土"为主要防渗材料，对采用不同厚度的上游防渗材料、不同布置方式的碾压混凝土坝渗控结构进行了计算和对比分析。结果表明：不同上游防渗材料的厚度变化对坝体渗流量影响不同，二级配碾压混凝土的厚度对坝体渗流量的影响是近似线性的，而变态混凝土的厚度对其影响则是非线性的。袁自立等[8]针对石漫滩碾压混凝土重力坝渗流异常问题，根据其运行表现，系统分析了大坝渗流观测资料，并利用有限元模型正反分析其渗流异常，发现坝体混凝土等效渗透系数不满足现行规范要求，基于坝体多处出现射水、渗漏量增大明显的现状，建议尽快除险加固，以确保工程安全。宋永占等[9]为找出混凝土重力坝坝基防渗帷幕深度、厚度、位置因素对防渗效果的影响规律，在渗流理论基础上借助Fluent软件用数值模拟法分析坝基渗流场，分析指出坝基帷幕防渗作用与其自身渗透性有关，帷幕深度对坝基扬压力影响较大，帷幕厚度主要影响坝基渗流量，帷幕位置只影响坝基扬压力。因此，本文以某碾压混凝土重力坝为研究对象，开展二维扬压力计算，基于溢流坝、非溢流坝在变化水位下评价坝体及坝基是否满足渗流安全要求。

2 工程概况

某水库是一座以具有防洪、供水、灌溉等综合功能的水利枢纽工程，在运行中，水库的调度主要是通过输水隧洞进行输水，满足下游灌溉及供水；汛期当库水位高于汛泄水位159.0m时，通过溢洪道进行泄洪，控制水位。某水库大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高42.2m，坝顶长168m，坝顶高程163.0m。坝中部设溢洪道2孔，孔净宽12m，溢洪道高程156m，安装12m×6.3m弧形闸门。

坝基地质情况是坝底下游所揭露的坝基接触面标高为237.28～241.34m。坝基岩性为白云岩、杂色、石英石为主，可见长石，其中长石为肉红色，半自型粒状结构，块状构造，节理发育，岩芯多呈20～30cm短柱状，锤击声清脆，钻探进尺很慢，钻进困难，未发生掉钻，未揭露空洞。该区域未见大的断裂构造，从区域地质构造分析，不存在发震构造。根据GB 50011—2016《建筑抗震设计规范》中的相关规定，本区抗震设防烈度为8度，第二组。

3 计算分析方法

3.1 计算方法

本文采用Abaqus软件，通过有限元法，将渗流场看作是由离散的且有限个以结点互相联系的单元体所组成，同时假设单元体内的渗透水头变化是线性的，求得单元节点处的水头值便可近似代表渗流场中该点处的水头值。

3.2 计算模型及边界条件

选取计算模型坐标系为：x轴方向为顺河向，从上游指向下游为正向；y轴方向为竖向，沿坝高方向从下向上为正向。根据大坝现状的布置及其结构特征，选择水库非溢流坝段(左0+017.27—左0+072.00)、非溢流坝段(右0+010.23—右0+090.00)和溢流坝段(左0+017.27—右0+010.23)3个典型横剖面。

有限元模型计算范围为：非溢流坝段(左0+017.27—左0+072.00)上部坝体取该坝段最大横段面，下部坝基向上、下游及深度方向各取40m，为最大坝高的1倍；非溢流坝段(右0+010.23—右0+090.00)上部坝体取该坝段最大横段面，下部坝基向上、下游及深度方向各取39m，为最大坝高的1倍；溢流坝段(左0+017.27—右0+010.23)上部坝体取该坝段最大横段面，下部坝基向上、下游及深度方向各取58m，为最大坝高的1.5倍。

采用四边形单元为主，辅以三角形单元来进行有限元网格剖分，四边形单元类型为CPE8RP，三角形单元类型为CPE6MP。非溢流坝段(左0+017.27—左0+072.00)共包括329个单元，1040个结点；非溢流坝段(右0+010.23—右0+090.00)共包括801个单元，2504个结点；溢流坝段(左0+017.27—右0+010.23)共包括1471个单元，4542个结点。有限元模型网格如图1—3所示。在选定的模型范围内，四周位移和自由度均约束。

图1 非溢流坝段(左0+017.27—左0+072.00)有限元模型网格图

图2 非溢流坝段(右0+010.23—右0+090.00)有限元模型网格图

图3 溢流坝段(左0+017.27—右0+010.23)有限元模型网格图

3.3 计算参数及工况

3.3.1坝体及坝基材料渗透系数

混凝土、灌浆帷幕及防渗墙等渗流计算参数参照类似工程选取，坝基排水孔幕的等效渗透系数按“以缝代井列”方法分析确定，渗流计算材料参数见表1。

表1 大坝及地基渗流计算参数表

3.3.2计算工况

根据现行规范，并结合某水库工程的实际情况，确定的计算工况为①正常蓄水位工况：上游水位161.8m，下游对应水位125.0m；②校核洪水位工况：上游水位163.0m，下游对应水位128.2m。

4 计算结果分析

非溢流坝段(左0+017.27—左0+072.00)坝基渗流计算结果如图4所示，坝体结果如图5所示。由图4—5可知，正常蓄水位和校核洪水位2种工况的各典型横断面建基面扬压力水头分布规律具有相似性，顺河向从上游到下游扬压力水头总体呈减小的趋势。分析非溢流坝段(左0+017.27—左0+072.00)坝基断面，在距离坝踵0～3m的位置，扬压力水头缓慢下降；然而，在距离坝踵3～5m的位置出现了突降，扬压力水头从37～38m降落至16～20m；在距离坝踵5.2～33m的位置，扬压力水头恢复缓慢线性下降趋势。分析非溢流坝段(左0+017.27—左0+072.00)坝体断面，在距离坝踵1.5～2.5m的位置，扬压力水头基本保持不变；在距离坝踵2.5m的位置以后，扬压力水头出现缓慢下降趋势。

图4 非溢流坝段(左0+017.27—左0+072.00)坝基断面扬压力计算结果

图5 非溢流坝段(左0+017.27—左0+072.00)坝体断面扬压力计算结果

非溢流坝段(右0+010.23—右0+090.00)坝基渗流计算结果如图6所示，坝体结果如图7所示。分析非溢流坝段(右0+010.23—右0+090.00)坝基断面，在距离坝踵0～4m的位置，扬压力水头缓慢下降；随着距离坝踵位置距离的增加，在距离坝踵4～5m的位置出现了突降，扬压力水头从36.8～38m降落至18～20m；在距离坝踵6.2～35m的位置，扬压力水头恢复缓慢下降趋势。分析原因可知，坝基防渗帷幕对扬压力和渗漏的变化起着重要的作用，当防渗帷幕可以起到有效防渗作用时，会直接导致渗漏量显著增大。根据相关学者研究表明：当防渗帷幕渗透系数小于5.0×10-7cm/s时，帷幕能起到较好的防渗作用[10- 12]。本工程坝基防渗帷幕的渗透系数为1.0×10-7cm/s，说明防渗帷幕起到较好的防渗作用。因此，在防渗帷幕所在位置处，坝体的扬压力出现了明显减小，即在距离坝踵4～5m的位置出现了突降。然而，分析溢流坝段(左0+017.27—右0+010.23)渗流计算结果(坝基渗流计算结果如图8所示，坝体结果如图9所示)可知，坝体与坝基的扬压力水头线变化规律基本一致。由此可知，坝基防渗帷幕对于坝基的扬压力降低起到了重要作用，但是对于坝体的扬压力降低影响较小。

图6 非溢流坝段(右0+010.23—右0+090.00)坝基断面扬压力计算结果

图7 非溢流坝段(右0+010.23—右0+090.00)坝体断面扬压力计算结果

图8 溢流坝段(左0+017.27—右0+010.23)坝基断面扬压力计算结果

图9 溢流坝段(左0+017.27—右0+010.23)坝体断面扬压力计算结果

两岸非溢流坝段和中间溢流坝段的坝基扬压力结果汇总见表2。在正常蓄水位工况下，各典型断面建基面扬压力水头最大值为41.18m，帷幕处的扬压力水头最大值为21.80m，位置为中间溢流坝段坝踵处，地面高程113.8m。在校核洪水位工况下，各典型断面建基面扬压力水头最大值为42.85m，帷幕处的扬压力水头最大值为24.92m，位置为中间溢流坝段坝踵处，地面高程113.8m。结果表明，通过设置防渗墙、防渗帷幕及排水孔幕以降低扬压力的作用较明显。对于碾压混凝土重力坝而言，由于施工工艺采用的是逐层浇筑碾压混凝土[13]。因此，在上下游水位差变化的时候，靠近上游的碾压混凝土对渗水的运动起到主要的阻碍作用，但是水流仍会沿着层、缝面渗入到坝体中，而其后的排水孔幕能起到很好的排水降压作用。由于排水孔幕的排水作用相对于上游面的碾压混凝土的阻止水流渗透能力较强，极少部分的水流能绕过排水孔向距离坝踵位置较远的碾压混凝土区域继续渗透，总水头等表现为基本水平无压的状态，因而排水孔幕后的碾压混凝土区的扬压力能够得到很好的控制。因此，在非溢流坝段(左0+017.27—左0+072.00)最大扬压力水头在校核洪水位工况比正常蓄水位工况高3.06%，在非溢流坝段(右0+010.23—右0+090.00)与溢流坝段(左0+017.27—右0+010.23)分别高出3.15%与3.8%。且在溢流坝段，扬压力明显比非溢流坝段的高。分析原因可知，由于溢流坝段表面始终处于泄水饱和状态，致使渗水会沿着基本无阻力的三级配碾压混凝土的层、缝面从大坝下游面逸出。如溢流坝段表面长年累月遭受渗透水流的侵蚀，泄流部位就会出现老化脱落的现象，从而破坏溢流坝段表面保护层，也会降低大坝的耐久性，从而增加碾压混凝土坝层面的渗透通道[14- 16]。这种现象在一些严寒地区可能会造成更加恶劣的影响，大坝下游面的渗水会对下游面产生严重的冻融作用，使其安全性进一步降低。因此，基于这种现象，建议溢流坝段表面应采取相应的防渗处理，减少大坝失事风险。

表2 渗流计算结果汇总表 单位:m

5 结论

(1)在碾压混凝土坝不同渗流计算工况下得到扬压力水头线均符合一般规律，且变化水位对碾压混凝土重力坝扬压力的影响较为明显，随着水位的增加，坝体与坝基的扬压力均出现了不同程度的增大。

(2)正常蓄水位和校核洪水位2种工况的各典型横断面建基面扬压力水头分布规律具有相似性，顺河向从上游到下游扬压力水头总体呈减小的趋势。在非溢流坝段，坝体与坝基的扬压力水头线相差较大；但在溢流坝断面扬压力水头线变化趋势相同。

(3)大坝防渗和排水设施完善，且防渗帷幕渗透系数小于5.0×10-7cm/s，防渗帷幕的防渗效果表现良好，坝体及坝基渗流变化规律基本正常。非溢流坝段设置防渗帷幕和排水孔降低扬压力的作用明显，中间溢流坝段设置防渗墙、帷幕及排水孔降低扬压力的作用较好，坝基扬压力未超过设计值。