水压力下混凝土面板堆石坝渗流分析研究

张 铎,刘洪亮

(1.深圳粤港工程技术服务有限公司,广东 深圳 518001;2.长江勘测规划设计研究有限责任公司,武汉 430014)

0 引 言

混凝土面板堆石坝因其具有施工便捷、结构简单、坝体稳定、工程造价低以及适应性良好等优点,被广泛应用于水利工程建设中[1]。随着水利工程建设的不断发展,混凝土面板堆石坝的相关施工技术也随之更新,但混凝土面板堆石坝仍然存在着渗流破坏导致堆石坝面板开裂的问题[2]。

有限元数值模拟软件COMSOL Multiphysics是一种功能强大的建模软件,可以利用该软件对堆石坝坝体进行模型建模,并通过数值模拟,对堆石坝面板以及防渗墙不同工种状态下的渗流场进行计算分析[3]。考虑到实际工程中混凝土面板堆石坝处于各种水压环境,为了研究水压力对裂缝渗透性的影响,通过数值计算和统计分析,对水压下裂缝渗透系数的计算方法进行分析。同时,为了研究堆石坝面板防渗体的不同特性,对水压力下混凝土面板堆石坝进行渗流数值模拟。根据面板所处位置不同的水压、不同防渗墙开裂高度以及不同破坏范围的大小等因素,对渗流场的渗流量、浸润线以及水头等数值进行比较分析[4]。通过对水压力下混凝土面板堆石坝渗流的分析研究,以期为水利工程的渗流问题提供参考。

1 水压力下混凝土面板堆石坝渗流数值模拟分析

1.1 水压力下混凝土面板堆石坝裂缝渗透系数计算方法分析

混凝土面板堆石坝施工技术从早期的木面板抛填到如今的混凝土面板碾压,不管是施工技术还是施工理论都在不断发展与完善。当前的混凝土面板堆石坝因其具有施工便捷、结构简单、坝体安全稳定、机械化程度高、工程造价低以及适应性良好等优点,已成为水利工程领域中的优选坝型[5]。

因面板开裂导致的渗流是混凝土面板堆石坝长期存在的工程问题。根据以往的混凝土面板堆石坝裂缝统计分析,可将裂缝按照宽度分为3类:Ⅰ类是指小于0.3mm的裂缝;Ⅱ类是指0.3～1.0mm的裂缝;Ⅲ类是指大于等于1.0mm的裂缝。在实际工程中,混凝土面板堆石坝最为常见的是Ⅱ类裂缝[6]。

根据工程实例研究发现,混凝土面板堆石坝产生裂缝的位置主要集中于面板的左右两岸和面板的中下部。其中,导致面板左右两岸产生裂缝的主要原因是坝体两岸产生了沉降变形,而导致面板中下部产生裂缝的主要原因是坝体发生沉降、堆石体产生流变以及面板产生变形等[7]。混凝土面板堆石坝产生开裂的原因有不均匀沉降变形、施工不规范、干缩应力、温度应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较小。因此可以看出,不均匀沉降变形、干缩应力和温度应力等因素是导致混凝土面板堆石坝产生开裂的主要原因。

目前,针对渗流计算分析的方法有多种,大体可分为试验模拟法和理论分析法两大类[8]。具体见图1。

图1 渗流计算分析方法

随着科技的发展,试验模拟法具有试验和解题等双重功能,可以直观观察到渗流现象。因此,基于试验模拟法的计算机数值模拟技术逐渐成为当前的主流技术。

在实际工程中产生的裂缝往往位于水下,而根据裂缝所处的位置不同,裂缝内部渗流受到所产生的水压力影响也各不相同。不同水压会产生流态、流速以及渗流量等的变化,从而改变整个混凝土面板堆石坝的渗流场分布。

Comsol Multiphysics是一种常被应用于裂缝岩体渗流计算的多物理场耦合模拟仿真软件,利用该软件对水压力下混凝土面板堆石坝进行渗流分析[9]。设定水压力为P,水压力范围取值设定为P∈[0.2,0.4,…,1.0Mpa],裂缝宽度为w,裂缝宽度的取值范围设定为w∈[0.3,0.5,…,1.1mm],设定裂缝深度d=200mm,根据软件模拟,可以得到裂缝流量以及渗透系数的数学表达式:

(1)

式中:F为通过裂缝的流量;K为渗透系数;α、β均为拟合参数;A为过流面积;G为水力梯度。

将裂缝宽度与拟合参数在Comsol Multiphysics软件中进行拟合,可得到裂缝宽度与拟合参数的关系,公式如下:

(2)

由式(2)可以看出,拟合参数α与裂缝宽度e呈非线性关系。将式(2)代入式(1),可以得到在水压力下渗透系数与裂缝宽度的关系,公式如下:

(3)

综上所述,混凝土面板堆石坝的坝体上产生裂缝会引起渗流问题,从而影响堆石坝的安全性和稳定性。为了提高混凝土面板堆石坝的使用性能,对坝体进行渗流控制至关重要。面板开裂渗流控制的要求、方法及措施见图2。

图2 渗流控制的要求、方法及措施

混凝土面板作为面板堆石坝的关键性防渗结构,一旦产生裂缝,需要及时采取相关措施来进行渗流控制[10]。针对已出现裂缝的面板,可通过充填法、注入法以及表面覆盖法等方式进行渗流控制[11]。此外,还可以从增强面板本身的抗裂性能方面来提高防渗效果。增强面板自身的抗裂性能可以采取的措施有:对面板堆石坝的堆石进行合理的优化和分区;采用防渗性以及变形特性均较好的沥青混凝土面板;在面板自身的防渗基础上铺筑土工薄膜来加固防渗结构等。

1.2 水压力下混凝土面板堆石坝渗流数值模拟

为了对水压力下混凝土面板堆石坝进行渗流数值模拟,首先利用软件构建堆石坝的三维算例模型。设置堆石坝的总长度540m,水流方向设置为沿Y轴正方向,上游和下游的河床长度分别设置为106和118m。设置堆石坝模型的总宽度545m,其中坝体宽度345m,两岸岩体宽度各为100m。设置堆石坝位于Z坐标平面,Z轴高度107m则为大坝高度。堆石坝的三维算例模型见图3。

图3 堆石坝的三维算例模型图

由图3可知,堆石坝的三维算例模型中含有主次堆石体、防渗墙、混凝土面板、覆盖层、垫层以及两岸基岩等区域[12]。边界条件设定基岩的底部、上下游边界以及两岸岩体的外侧边界均为不透水边界。堆石坝坝体以及坝体两岸岩体在下游水位以上与大气接触的逸出边界,称之为出水边界[13]。该模型已知在正常蓄水位的情况下,上游施加200m水头,下游施加120m水头。由于只考虑非降雨条件下的稳定水位,且不考虑地下水,因此上下游水库以下的水位边界就是已知的水位边界。通过不断校正下游潜在的逸出边界,就可以确定下游坝体产生的渗流面,从而计算出大坝的自由面[14]。

根据一般工程资料,确定对应的材料渗透系数,见表1。

表1 材料渗透系数

在实际工程中,混凝土面板堆石坝的面板上,往往会存在大量的、分布不均匀的裂缝。以河床为基础面,裂缝的位置高度大部分在0～101m之间,宽度一般在0.1～1.4mm之间,裂缝的粗糙度一般在0.1～0.45之间[15]。将表1中的渗透系数代入裂缝参数,即可计算出各裂缝的渗透系数。根据面板的上游水位以及面板的长度,可以选取4种水压强度范围。根据水位从高到低,水压范围可分为:范围一为0～0.15MPa;范围二为0.15～0.48MPa;范围三为0.48～0.80MPa;范围四为0.80～1.01MPa。将对应位置高度的裂缝在以上范围一至范围四的4种水压力强度下,进行渗透系数的计算,得到裂缝渗透系数分别为2.48×10-6、7.58×10-6、4.42×10-5以及5.29×10-5m/s。

利用软件对以上数据进行数值模拟,可以得出堆石坝面板在不同水压力下的坝内流速矢量。当范围一发生破裂时,流速范围为4.0×10-5～5.5×10-5m/s,其中最小流速位于坝体上游坡脚内部;当范围二发生破裂时,流速范围为1.5×10-5～2.3×10-4m/s;当范围三发生破裂时,流速范围为6.0×10-5～8.1×10-4m/s;当范围四发生破裂时,上游坝脚处的流速最大为4.5×10-4m/s。

综合可以看出,混凝土面板堆石坝产生面板破裂时,渗流场流速中,高流速部位的分布主要集中在面板破裂处和下游坝脚处;低流速部位主要分布在上游坝脚内部。堆石坝坝体上的裂缝位置由顶部向底部移动时,流速增大,流量也随之增大;而当面板上的裂缝位于底部时,渗流量变化不明显。

2 水压力下混凝土面板堆石坝渗流数值模拟验证

为了对水压力下混凝土面板堆石坝渗流特性进行验证,使用有限元模型进行数据模拟。设置的模型总长度为840m,模型整体沿Y轴方向,坝高从上游坡脚开始延伸4倍、从下游坡脚开始延伸1倍。整体模型只设置堆石坝主体结构,未设置左右两岸的岩体,沿X轴方向的坝体宽度346.85m。设置堆石坝位于Z坐标平面,Z轴高度为107m,则大坝主体高度为107m,其中覆盖层43m,基岩57m。

为了计算方便,设置的边界条件不考虑地下水和降雨情况,设置坝体左右两岸的侧面边界以及坝体基岩的底部边界均为不透水边界,设定在正常水位下的上游和下游水位分别为200和120m,初始水头205m。为了分析不同水压力下产生开裂情况的混凝土面板堆石坝的渗流控制,设置3种渗流控制方案进行对比分析,即无防渗墙的渗流控制方案设置为方案一;防渗墙深18m的渗流控制方案设置为方案二;防渗墙深30m的渗流控制方案设置为方案三,水平铺盖长度设置范围为[50,100,...,350]。将以上3种方案的渗流场计算结果进行对比分析,得到不同方案与坝前水头值的关系,见图4。

图4 不同方案与坝前水头值的关系

由图4可知,方案一中,当水平铺盖为50～200m范围内时,随着水平铺盖长度的增加,坝前水头值对应减少,减少幅度9.7%;当水平铺盖大于200m时,坝前水头值维持在140m不变。方案二中,当水平铺盖为50～250m范围内时,随着水平铺盖长度的增加,坝前水头值对应减少,减少幅度16.1%;当水平铺盖大于250m时,坝前水头值维持在130m不变。方案三中,随着水平铺盖长度由50m增加至300m,对应的坝前水头值从165m降低至130m,降低幅度21.2%;当水平铺盖大于300m时,坝前水头值维持在130m不变。综上可以看出,方案三的坝前水头值下降幅度最大,与其他两种方案相比具有更好的防渗效果。

为了验证防渗控制中防渗墙在实际应用中的防渗效果,将3种方案下各部位的渗流量进行对比分析,见图5。

图5 3种方案下各部位的渗流量对比图

由图5(a)可知,防渗墙深度分别为0、18和30m的3种方案下通过防渗墙的渗流量,都是随着水平铺盖长度的增加而减小。其中,当水平铺盖为0m时,防渗墙深度为0m的方案一达到最大渗流量为8.0×10-4m3/s,此时方案二、方案三的渗流量分别为7.0×10-4和6.0×10-4m3/s。当水平铺盖为350m时,方案一、方案二、方案三的渗流量分别为4.0×10-4、2.5×10-4和2.5×10-4m3/s。可以看出,通过防渗墙产生的最大流量差为4.5×10-4m3/s;当水平铺盖为150m时,3种方案均达到稳定值。

由图5(b)可知,当水平铺盖为0m时,方案一、方案二、方案三通过堆石区的渗流量分别为1.5×10-4、7.5×10-5和5.0×10-5m3/s。当水平铺盖为350m时,方案一、方案二、方案三的渗流量分别为5.0×10-5、4.5×10-5和4.5×10-5m3/s。通过堆石区产生的最大流量差为1.0×10-4m3/s;当水平铺盖为150m时,3种方案均趋于稳定不变。

由图5(c)可知,当水平铺盖为0m时,方案一、方案二、方案三通过坝基的渗流量分别为4.0×10-5、2.5×10-5和2.2×10-5m3/s。当水平铺盖为350m时,方案一、方案二、方案三的渗流量分别为2.3×10-5、1.5×10-5和1.5×10-5m3/s。通过坝基产生的最大流量差为1.7×10-5m3/s;当水平铺盖为200m时,3种方案均达到稳定值。

综合可以看出,水平铺盖的长度对减小渗流量的作用有限,有效的最大长度为200m。渗流控制中,有无设置防渗墙对渗流场的影响极为明显,方案一产生的流量差最大;方案三的渗流控制效果最为显著。

3 结 论

为了分析水压力下混凝土面板堆石坝的渗流问题,本文建立了一种水压力下混凝土面板堆石坝裂缝渗透系数的计算方法,同时针对堆石坝面板防渗体的不同特性,对水压力下混凝土面板堆石坝进行了渗流数值模拟。结果显示,方案一中,当水平铺盖为50～200m范围内时,坝前水头值减少9.7%;方案二中,当水平铺盖为50～250m范围内时,坝前水头值减少16.1%;方案三中,当水平铺盖为50～300m范围内时,坝前水头值减少21.2%。通过防渗墙、堆石区以及坝基产生的最大流量差分别为4.5×10-4、1.0×10-4及1.7×10-5m3/s。研究表明,防渗墙深30m的渗流控制具有更好的防渗效果。