混凝土坝渗透溶蚀劣化的数值模拟研究

2023-09-22姜姗

水利技术监督 2023年9期

姜姗

(江西省水投工程咨询集团有限公司，江西南昌 330000)

随着我国水利建设的发展，混凝土坝项目越来越多，然而，由于特殊的工作环境导致其极易发生溶蚀破坏，对结构安全性和耐久性造成影响。为此，许多研究人员进行了一系列研究。

费新峰[1]对目前混凝土坝表面防护涂料进行了总结，分析了严寒地区混凝土坝迎水面发生冻融破坏和裂缝破坏的主要原因。余正源等[2]依托实际工程案例，根据现场监测数据，拟定了混凝土坝横缝三向变形的监控指标。张石和郑东健[3]通过基于随机森林算法，提出了一种预测精度高、稳定性强的混凝土坝变形预测模型。李燕丽[4]为提高坝体稳定性，对混凝土坝体防渗墙参数进行了设计，并对防渗墙布置设计要点进行了阐述。杨菁[5]考虑到了温度的影响，通过有限元软件建立了混凝土重力坝温度分析模型，计算了不同温度条件下混凝土坝体的热应力状态。刘越等[6]针对混凝土坝渗漏问题，对碾压式混凝土坝加固阶段的病险隐患进行了勘察分析，确定了不同类型的碾压层面参数。

为研究混凝土坝长期服役过程中渗透溶蚀问题，本文依托实际混凝土坝案例，通过有限元软件建立了混凝土坝渗流分析模型。基于此，对渗透溶蚀作用下坝体劣化时空分布规律进行了研究。本文的研究成果可为混凝土坝体耐久性评价和运营维护方面提供一定的指导、借鉴意义。

1 渗透溶蚀参数演化方程

在渗透水流和Ca2+浓度差的双层作用下，长期触水混凝土坝易发生溶蚀破坏。将温度对溶蚀过程的影响忽略，则在饱水状态中可通过Fick定律和Ca2+质量守恒定律对溶蚀过程中Ca2+迁移方程进行推导。

若渗透流量较小或者不考虑渗透流量前提下，与扩散时间相比情况下，固相钙的溶解时间可忽略，因此能根据热力学平衡状态对混凝土内部固相钙和孔隙液中的液相钙进行假定。而当渗流量和渗流速度较大时，与扩散时间相比较，固相CH和C-S-H凝胶的溶解时间更为显著，因此不能根据热力学平衡状态对混凝土内部固相钙和孔隙液中的液相钙进行假定，即通过固相平衡方程无法计算固相钙浓度。针对此种情况，通常采用化学-孔隙-塑性理论通过化学势对钙溶蚀过程中的固相钙溶解速率进行描述。

C-S-H凝胶和CH固相水化产物溶解会对微观结构产生不利影响，使其孔隙率增加。为此，简化了孔隙率增量的计算过程，通过固相CH溶蚀进行了等效，孔隙率增量Δθ通过下式进行计算：

(1)

通过Kozeny-Carman方程则可对渗透系数的演变方程进行推导：

k=k0(θ/θ0)3[(1-θ0)/(1-θ)]2

(2)

式中，k0—初始渗透系数，cm/s。

2 数值模型建立

2.1 工程简介

在本篇文章中，依托某混凝土坝工程项目进行足尺寸数值建模。该项目最大坝高为85m，最大坝底宽度为65m，正常蓄水位情况下库深为78m。为模拟最不利工况，在进行建模时将坝体排水孔按照堵塞状态进行考虑。在划分网格时，为在保证计算精度的前提下兼顾计算效率，对坝顶和坝底等位置处进行了局部的网格细化，划分有42362个有限元网格。该混凝土坝的数值模型如图1所示。

图1 混凝土坝数值模型

设定边界条件时，根据工程实际情况与前人研究结果，将模型底部设为固定约束条件，四周设为法相约束条件，坝顶设为自由约束条件。

2.2 初始参数

坝体混凝土等级为C30，通过弹塑性模型对混凝土材料进行模拟。水泥用量为458kg/m3，表1为其化学组分。表2展示了模型的初始计算参数。

表1 水泥化学组分

表2 初始计算参数

3 结果分析与讨论

3.1 渗流速度

溶蚀100a后不同高程工况下的水平向渗流速度的变化情况如图2所示。

图2 溶蚀100a后水平向渗流速度变化曲线

从图2可以看出，在坝体上游面的溶蚀区，各工况下渗流速度较大，且变化幅度较为显著，差异也比较明显。这是由于，在溶蚀区域，固相钙溶蚀会导致孔隙率增大，进而导致渗流速度增加。而在下游的非溶蚀区，各工况下的渗流速度较低，各工况下的渗流速度差异不大。在溶蚀区域，同一位置处，平衡态渗流速度普遍大于不平衡态工况，且随着高程的增加，渗流速度减小，渗流速度与高程呈现负相关关系。此外，在溶蚀区域，高程越大，平衡态与非平衡态的差异越明显。

3.2 固相钙浓度

坝体内部的固相钙浓度随溶蚀时间的变化情况如图3所示。

图3 固相钙浓度随时间变化曲线

观察图3可以发现，在固液平衡状态下，随着溶蚀时间的增加，固相钙浓度基本无变化，表现得较为稳定。固液非平衡状态下，随着溶蚀时间的增加，固相钙浓度呈现线性下降的趋势，出现了随着溶蚀时间增加固相钙浓度减小的一般性规律，固相钙浓度与溶蚀时间呈现负相关关系。出现这种现象，主要是由于在固液平衡状态中，仅坝体表面出现溶蚀，而坝体内部未发生溶蚀，故而固相钙浓度保持比较稳定。固液不平衡状态下，坝体内部也存在着轻微的溶蚀现象，故而固相钙浓度随着溶蚀时间的增加而减小，符合混凝土坝的实际溶蚀规律[7-8]。

在坝高40m水平截线位置处，对不同溶蚀时间的固态钙和液相Ca2+的溶蚀深度进行了统计，以期更直观地探究平衡态与不平衡态溶蚀程度的差异，统计结果见表3。

表3 混凝土坝渗透溶蚀深度单位：m

由表3可以看出，固液平衡态与固液不平衡态理论的固相钙和液相Ca2+溶蚀深度结果差异较大。究其原因，是由于在平衡态下，液相Ca2+的扩散速度远小于固相钙的溶解速度，因此表现出了固相钙溶蚀深度远大于液相Ca2+溶蚀深度的情况。与之相反，在不平衡态下，溶蚀速度由固相钙溶解速度所决定，因此液相Ca2+溶蚀深度要远小于固相钙的溶蚀深度。

在固液不平衡条件下，溶蚀100a后坝体的孔隙率分布情况如图4所示。

图4 溶蚀100a后固液不平衡条件下坝体孔隙率分布

从图4可以看出，坝体服役100a后，正常蓄水位以下区域的坝体孔隙率变化较为明显，坝体上游区域更为显著，而坝体正常蓄水位以上深度孔隙率变化不明显。

3.3 混凝土抗压强度

水泥基材溶蚀程度的评价指标之一为钙含量，通过测定钙含量，可以反映水泥基材力学性能变化情况。在本文中，制作边长为50mm的立方体混凝土试块，混凝土强度标号分别为C40、C35、C30，通过稀释的硝酸溶液进行浸泡，再进行无侧限抗压试验，进而获得Ca2+累计相对溶蚀量与混凝土抗压强度的关系曲线，试验结果如图5所示。

图5 Ca2+累计相对溶蚀量与混凝土抗压强度的关系

从图5可以看出，随着Ca2+累计相对溶蚀量的增加，混凝土试块抗压强度随之下降，混凝土抗压强度与Ca2+累计相对溶蚀量呈负相关关系，且随着Ca2+累计相对溶蚀量，混凝土抗压强度下降速率降低。各混凝土强度试块相比，C40受溶蚀劣化影响最为明显，其次为C35，影响最低的为C30混凝土试块，从图中也可以发现，随着Ca2+累计相对溶蚀量的增加，各标号混凝土试块抗压强度逐渐接近，可见溶蚀作用对混凝土强度的危害。综上所述，在对混凝土服役性能演变进行分析时，不能对渗透溶蚀的影响进行忽略。