最不利水位條件下大壩壩基的安全性能研究

楊順平

（貴州省畢節市金海湖新區毛栗水庫管理所，貴州 畢節 551600）

1 前言

水庫大壩的穩定關系著國計民生，對下游居民生活安全造成重要影響，對水庫發揮蓄水作用和下游生態環境的維護有著關鍵作用。大量學者對水庫大壩的穩定性開展了研究。羅詩怡等采用FLUENT 軟件對大橋的水庫大壩進行了潰決的數值模擬研究。研究結果表明：相關潰決機理參數和水力、力學參數的變化過程，表明采用FLUENT 軟件中的三維潰壩模型，對大橋的水庫大壩進行的潰決模擬能夠真實再現實際潰壩過程。葉祥飛對用于水力發電的水庫大壩的安全穩定性能進行了研究。研究結果表明：瓊中發電站的設計合理，能夠使得發電站安全有效穩定運營。金建峰等對一水庫大壩的滲流特征進行了現場監測數據分析研究。研究結果表明：所獲取的監測數據能夠證明壩基、壩址的選擇合理，且相關單位的設計及修建安全達標；同時表明當前監測設施的設置能夠合理、有效監測壩基及壩體滲流特征。陳曦等采用當前較為常用的模糊層次分析法，對位于農村地區的水庫大壩的穩定性進行了雙層次分析，分析結果表明：雙層次模糊層次分析法可以實現對大壩的力學及流體特征的合理分析。

由上述討論和分析可知，大量學者對蓄水和水力發電類的水庫堤壩進行了研究，主要涉及壩基建設、施工、運營等多個方面，包含各類壩基安全問題。本文依托一實體水庫蓄水工程，對涉及壩基安全的相關參數特征進行了研究。主要采用Geo-studio軟件進行數值計算，對最不利水位條件下的壩基特性進行了討論。

2 工程概況

水庫在城市用水和相關工業領域中發揮著關鍵作用，實體水庫堤壩的橫斷面圖如圖1所示，壩基高14 m，頂寬5 m，壩體底部長20 m；采用‘垂直截面+變坡度’截面設計；大壩壩基共有三層材料組成，由上至下分別為強夯土、砂卵石、現澆混凝土層；各層材料的相關物理力學參數如表1所示。

3 數值模擬

3.1 模型的建立

Geo-studio 軟件在建模上的優越性在本次數值建模過程中得到了充分體現，模型構建時，按照第2 節中的橫斷面標注的相關特征尺寸，采用多邊形建模工具，進行實際長度繪制，根據圖1，分層構建各個模塊，再根據表1，設置三種不同的材料，這一步通過定義選項進行，然后將設置 好的各層材料賦值給相應的區域，完成模型創建和材料屬性設置，最后計算分析并導出相應計算結果進行分析。

圖1 水庫大壩橫剖面圖

表1 各層材料物理力學參數

圖2 構建的壩基模型圖

3.2 壩體總水壓變化

計算完成后，最后獲得了大壩壩體內的總水壓分布特征，如圖3 所示；同時考慮最不利水位條件下的壩體內的滲流特征，特別輸出了相應的壩體內的流量分布特征圖。

根據圖3所示，當水庫內的水位上升到最不利水位12 m條件下時，堤壩內的總水壓分布特征整體呈現出，上部總水壓小，甚至出現了負的水壓，最小水壓約為-40 kPa；而下部總水壓大，隨著逐漸走向堤壩的下部，總水壓呈現以多條平行斜線式的逐漸向下增大趨勢，最下部的總水壓為最大120 kPa，對應相應的最不利水位12 m 深，為最大水壓；堤壩左側的水壓介于-40 kPa 至0 kPa 之間，表明該堤壩的材料選擇、斷面布置形式，實現了阻隔水流的向下游的滲流運動；水壓變化速率從上部至下部大小相等。

圖3 壩體內的總水壓分布圖

根據壩體內的流量分布可知，當水庫內的水位上升到最不利水位12 m條件下時，堤壩內水流流量變化整體呈現出：右側靠堤壩內水流流量較小，約為1e-9 m3，左側位于下游方向的水流流量較大，約為1e-8 m3，整體的滲流水流流量較小；表明該堤壩的材料選擇、斷面布置形式，實現了阻隔水流的向下游的滲流運動；水流趨勢從右側至左側表現為近似的水平運動特征，各層之間的最左側水流流量不一，從上至下逐漸增大，最上層的最小，約為1.6e-9 m3，中間層左側最大流量為3.6e-9 m3，最下層左側最大流量約為1e-8 m3。各層最大流量極小，再次表明堤壩的材料選擇、斷面布置形式，實現了阻隔水流的向下游的滲流運動。

3.3 壩體內水頭變化

為了研究壩體內的土體中水頭變化規律，通過在Geo-studio中繪制圖的方式分別繪制了壩體中部的水頭在X方向的變化趨勢圖。同時為了能夠顯示最上部臨近右側最不利水位線處的壩體內的土體中水頭變化特征，繪制了相應的大壩壩體上部的水頭在X方向的變化趨勢?？芍?，當水庫內的水位上升到最不利水位12 m條件下時，壩體中部X方向的水頭，從壩體下部至壩體上部出現大幅波動，開始時以凹型曲線逐漸增大，當達到高度約為5 m壩體位置處時，出現下跌，下跌至最小水頭約為6.95 m；隨后又顯著上升至7.25 m 水頭高度，5～8 m壩體中部位置處的水頭變化呈現出折線型大幅波動變化，最大值上升至7.36 m 水頭高度。壩體中部的水頭在X 方向的水頭處于6.95～7.36 m的變化范圍內。

根據壩體上部的水頭在X方向的變化趨勢可知，當水庫水位上升到最不利水位12 m時，壩體上部X方向的水頭，從壩體下部至壩體上部近似呈現直線型下降變化趨勢，最下端位置處的水頭值最大，為12 m，最上端位置處的水頭值最小，約為6 m，壩體上部水頭在X方向的水頭處于6～12 m的變化范圍內。

上述對壩體中部和上部位置處的水頭X 方向的沿高度變化趨勢，表明在壩體中部的X 方向水頭處于6.95～7.36 m，在壩體上部的X方向水頭處于6～12 m。

4 結論

①壩體內的總水壓分布特征整體呈現出，上部總水壓小，下部總水壓大，最大總水壓為120 kPa，堤壩左側的水壓介于-40 kPa至0 kPa之間，表明該堤壩的材料選擇、斷面布置形式合理。②壩體水流趨勢從右側至左側表現為近似的水平運動特征，最左側水流流量從上至下逐漸增大，最小約為1.6e-9 m3，最大流量約為1e-8 m3。各層最大流量極小，表明該堤壩的材料選擇、斷面布置形式，實現了阻隔水流的向下游的滲流運動。③壩體中部的X方向水頭處于6.95～7.36 m的變化范圍內，而在壩體上部的X 方向水頭處于6～12 m 的變化范圍內。類似工程中，可參考該壩體截面形式和材料選擇進行設計施工。