碾壓混凝土壩防滲能力數值模擬研究

張彥輝 劉春玉 祝承義

(1.湖北三峽職業技術學院交通工程學院，湖北 宜昌 443000； 2.雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都 610051)

碾壓混凝土壩防滲能力數值模擬研究

張彥輝1劉春玉1祝承義2

(1.湖北三峽職業技術學院交通工程學院，湖北 宜昌 443000； 2.雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都 610051)

以思林水電站工程為依托，通過建立溢流壩段二維有限元模型，對該碾壓混凝土壩段進行了滲流分析，并探討了壩基面上的揚壓力分布特征，得出了一些有價值的結論，為類似問題的研究提供了參考依據。

碾壓混凝土壩，防滲能力，上游面板，滲透系數

碾壓混凝土壩的施工特點，決定了其具有節約水泥，造價較低，施工速度快的優點；并且混凝土裂縫少，質量好，是對傳統混凝土筑壩方法的一次重大改革[1]。但是碾壓混凝土壩的滲流和防滲問題，是自這種新壩型出現以來人們普遍關心的問題之一。所以，關鍵問題就是通過研究碾壓混凝土壩的防滲特性，采取合理的防滲控制措施去解決碾壓混凝土壩的滲流問題。

1 工程概況

本文以思林水電站碾壓混凝土溢流壩段建立二維有限元模型。其壩頂全長310.0 m，壩頂高為117 m，在河床溢流壩段設7孔尺寸為13 m×21.5 m的溢流表孔，泄洪排沙兼放空底孔設溢流壩右側，尺寸為5 m×7.5 m，底板高程380 m。下游順河流方向消能方式為戽式消力池，池底最低高程348 m，戽池長58.667 m。壩區所有鉆孔都作了壓水試驗，各種巖石透水率見表1。

表1 各種巖石的透水率

2 溢流壩段二維有限元模型建立

2.1 有限元模型材料參數的選擇

由于溢流壩段壩體不同部位混凝土材料的抗滲指標、抗壓強度、極限拉伸、軸拉強度、彈性模量、泊松比相差很小，可以將壩體部分看作由變態混凝土，常態混凝土，碾壓混凝土三種材料組成。與溢流壩作用的地基滲透系數相差不大，可近似為一種材料；它們之間的裂隙視為一種材料，帷幕為一種材料；在壩體內部設一層面，其厚度為1 cm；7種材料的滲透系數見表2。

表2 各材料的滲透系數(一) cm/s

2.2 溢流壩段實體模型建立

該碾壓混凝土重力壩為一等工程，下游戽式消力池長58.667 m，池底最低高程348 m，壩體左右兩端地基取值為1倍～1.5倍的壩高，長度取150 m，地基深度為1倍～2倍的壩高，深度取150 m；利用ANSYS軟件建立溢流壩段實體模型，根據邊界條件，材料參數還有單元性質等建立模型及幾何尺寸如圖1所示。

2.3 網格劃分

本文采用ANSYS有限元工程分析軟件，用邊界線來控制映射網格劃分的尺寸，且應保證面一組對邊上必須有相等的單元劃分數或單元劃分數符合過渡網格劃分模式；在面的邊界由3條線組成的情況下，必須保證各邊上的單元劃分數相等。要進行滲流分析就采用Plane55[7]單元，該網格為四邊形面單元，節點數為921，單元數為846。

3 滲流分析

通過滲流程序對該壩段進行滲流分析。將壩體各節點坐標和單元數輸入程序中，第一類邊界條件為上游最高水頭和下游水頭，然后將各材料滲透系數輸入程序中，得出等勢線、等孔隙水壓力線、滲流場等圖形。

方案一為上游設有防滲面板，通過改變防滲面板的滲透系數對防滲效果進行比較。各材料滲透系數見表3。

表3 各材料的滲透系數(二) cm/s

將表3中第一行的滲透系數輸入程序中，得出的圖形線見圖2，圖3。

將表3中方案一中第二行各材料滲透系數輸入程序中，得出的圖形線見圖4，圖5。

第一種方案是在其他滲透系數不變的情況下，改變上游防滲面板的滲透系數得出不同的等孔隙水壓力線和等勢線。由圖2～圖5可以得出，在其他材料滲透系數相同的前提下，上游防滲面板滲透系數越小，壩體防滲效果越好。

第二種方案是上游采用防滲面板和不采用防滲面板進行比較。

將表3中第三行的滲透系數輸入后得出的圖形線如圖6，圖7所示。

與方案一中圖2～圖5進行比較，圖6，圖7壩體浸潤線位置更高，這更進一步說明了防滲面板對壩體防滲效果的影響，所以一定要設防滲面板。

第三種方案是改變層面的滲透系數，其他滲透系數不變進行比較。與上面兩種方案中層面的滲透系數不同，其他材料滲透系數一樣，得出的等孔隙水壓力線和等勢線。在上游具有完整的防滲措施的條件下，碾壓混凝土壩體中的層面能起到較理想的水平排水作用，從而提高了碾壓混凝土壩的整體防滲能力。

4 壩基面上的揚壓力分布

從圖2～圖7可以看出水流經過防滲帷幕時，水頭有所降低，說明防滲帷幕起到了一定的防滲作用。現對壩基面的揚壓力進行分析，由公式φ=z+P/r可以得出壩基面上每點處的揚壓力值，即：

z=φ-P/r。

壩基面高程為335 m，由壩基面上每點處等勢線的值減去壩基面高程，從揚壓力曲線圖中可以看出：1)揚壓力在防滲帷幕位置處有較大的轉折，說明防滲帷幕起到了防滲作用；2)上游設防滲面板與不設防滲面板情況下壩基面上的揚壓力在帷幕處的變化不大。

5 結語

1)在其他材料滲透系數相等，上游面板滲透系數由1×10-11cm/s增大一個數量級時，壩體浸潤線逸出點位置升高近10%，說明想要使壩體防滲效果好，上游防滲面板滲透系數要越小；并且面板的相對抗滲性決定了防滲面板的防滲效果的好壞。

2)在上游防滲面板滲透系數很小，并且其他材料滲透系數都相同的情況下表明層面滲透系數增大，壩體防滲效果反而提高，所以碾壓混凝土大壩的滲透性取決于層面的滲透性。

3)由于層面和縫面的滲透系數很大，必須要求壩體具有很高的防滲和防裂能力，并且有高質量的止水結構，才能避免層面和縫面上出現過大的揚壓力。

[1] 崔寶平.斜層碾壓混凝土重力壩應力與穩定分析[D].大連：大連理工大學，2002.

[2] 朱岳明.碾壓混凝土壩的滲流分析研究[J].水電能源科學，2002(15)：25-27.

Numerical simulation research on anti-seepage ability of RCC dam

Zhang Yanhui1Liu Chunyu1Zhu Chengyi2

(1.CollegeofTrafficengineering,HubeiSanxiaVocationalCollege,Yichang443000,China;

2.YalongRiverHydropowerDevelopmentCo.,Ltd,Chengdu610051,China)

Based on Silin hydropower station engineering, through establishing dimensional finite model of overflow dam section, the paper analyzes its seepage of RCC dam section, explores the dam foundation stress distribution features, and draws some valuable conclusions, which has provided some basis for similar problems research.

Roller Compacted Concrete(RCC) dam, anti-seepage ability, upstream panel, seepage coefficient

1009-6825(2015)02-0215-02

2014-11-03

張彥輝(1982- )，女，碩士，工程師

TV642

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