極限蓄水深度條件下水庫堤壩內的水力特征研究

吳 昊

（廣東水電云南投資有限公司,云南 蒙自 661100）

1 前言

小型水庫能夠在澇季儲存少量水量,在旱季供給適當水源,因此,小型水庫在降雨分布不均勻地區中的應用十分廣泛。許多學者對小型水庫堤壩工程開展了相關特性研究。張彥賓等[1]對水庫堤壩在煤礦開采條件下的穩定性進行了研究。研究結果表明：限采措施的有效實施能夠顯著降低對試采工作面帶來的堤壩變形危害,使其處于規程允許變形范圍內。陸忠民等[2-3]對土工合成材料的抗沖性進行了研究。研究結果表明：在潮汐河口地區采用網兜石一類的土工合成材料能夠有效抗擊水流對臨岸堤壩的沖擊,顯著改善堤壩的使用年限和運營效果。孫鋒等[4]對堤壩劈裂問題的處理方法進行了研究。研究結果表明：壩體底部的劈裂發生時,灌漿漿液極大影響壩體結構的變形,顯著減小其沉陷變形,為該方法在劈裂止漏中的應用提供了驗證。程靜等[5]采用Geostudio 軟件中的多個內嵌動力分析模塊對堤壩內的超孔壓和力學特性進行了仿真分析,仿真結果表明：動荷載作用下,堤壩內部滲流零水位線會有0.2 m 的波動,不同土質的波動范圍不一。

通過上述分析可知,相關學者對水庫堤壩問題展開了大量研究。本文依托一小型水庫蓄水工程,對用于局部區域水量儲存的小型水庫堤壩滲流特征進行了研究。主要采用Geostudio 軟件的內嵌SEEP 模塊進行建模和計算分析,通過設置相應的極限儲水水位,對水庫極限工作條件下的壩基性能進行分析和探討。

2 工程概況

該水庫蓄水工程堤壩剖面圖見圖1,水庫堤壩豎向高度為14 m,頂部水平寬度為5 m；左側臨水庫水面,垂直截面設計,右側為變坡度截面設計；堤壩由上至下由三層組成,最上層為強夯土層,中間層為砂卵石層,最下層為混凝土層；各層材料的力學特征不同,其相關物理力學參數見表1。

表1 各層材料物理力學參數

圖1 水庫堤壩橫剖面圖

3 數值模擬

3.1 模型的建立

直接采用Geo-studio 軟件中的模型創建模塊對模型進行構建,構建根據第2 節中的堤壩剖面尺寸進行,首先對整體輪廓,根據圖1,采用多邊形建模方式構繪,然后采用切割工具對整體輪廓進行切割,以便將整體輪廓劃分成三個區域,從而與實際堤壩的三個組成部分相一致,再根據圖2,對各層材料進行相關的特征參數進行設置,同時設置極限蓄水水位為12 m,這一水位采用在模型左側設置水壓高度進行,最后進行計算分析,得出計算結果,并將計算結果導出。

圖2 構建的堤壩模型

3.2 壩體總體水頭變化

經過計算,最后獲得的壩體內的壓力水頭分布特征,為了能夠反映蓄水后,壩體內的總水頭變化,以研究該壩體材料的設計是否合理,給出壩體內整體的總水頭變化特征圖,見圖3。

圖3 壩體內的總水頭分布（單位：m）

結果表明當水庫內達到極限蓄水水位12 m 時,堤壩內的壓力水頭變化整體呈現出,上部壓力水頭較小,下部壓力水頭較大,最上部的壓力水頭表現為負值,約為-4 m～-2 m；隨著向下部運動變化,逐漸以多行平行斜線的方式增大,最下部臨近水源處的壓力水頭為12 m,為最大壓力水頭值；堤壩右側的壓力水頭介于0 m～-2 m 之間,表明該堤壩設計截面形式,有效阻隔了水庫中水的水頭差滲流運動；同時說明各層材料的設計及選取合理,壓力水頭從上至下的變化速率較為一致,等壓力水頭的斜線近似與右側中部的斜坡坡率相同。

圖3 所示為壩體內的總水頭分布圖。由圖可知,當水庫內達到極限蓄水水位12 m 時,堤壩內的總水頭變化整體呈現出；左側靠近蓄水水體部位的總水頭較大,右側下游遠離蓄水水體部位的總水頭較小,最右側的總水頭為0 m～2 m；表明該堤壩設計截面形式,有效阻隔了水庫中水的總水頭差滲流運動；同時說明各層材料的設計及選取合理,壓力水頭從左至右的變化速率較為一致,變化速率約為1.0（量綱為1）。總水頭隨著向左側運動變化,逐漸增大,最左側靠近蓄水水體部位的總水頭較大為12 m,為最大總水頭值；堤壩左側的壓力水頭介于10 m～12 m 之間。與12 m 蓄水深度條件下的理論值相符。

3.3 壩體內水頭變化

為了進一步有效揭示分層布置的壩體形式,水頭在壩體內豎向方向的變化特征,特別繪制了相應的堤壩內水頭的變化隨著Y 值的變化趨勢。當水庫內達到極限蓄水水位12 m時,堤壩內Y 方向的水頭,從堤壩下部至堤壩上部近似呈現出“S”型的變化趨勢；下部隨著高度的升高,變化緩慢；在中間段變化速率增大,堤壩頂部位置的升高幅度較小,堤壩下部的最小壓力水頭,約為10.5 m；最上部的最大壓力水頭,約為11.32 m,與靜水壓力的總體分布趨勢一致,但總的變化速率較小,僅為0.067（量綱為1）。

為了進一步有效揭示分層布置的壩體形式對水庫中水流的阻滲作用,圖6 給出了相應的堤壩內水頭的變化隨著水平距離X 值的變化趨勢。當水庫內達到極限蓄水水位12 m 時,堤壩內X 方向的水頭,從堤壩左側至堤壩右側近似呈現出直線型的變化趨勢；壩體左側水頭最大,為12 m,至最右側的20 m 位置處,水頭最小,為1.5 m；表明該壩體設計形式下,水流在水平向X 方向上受到了較大的抗滲作用力,設計分層截面形式和各層的參數合理,水頭的變化速率近似為0.6（量綱為1）。

4 結論

（1）堤壩的壓力水頭變化整體呈現出,上部壓力水頭較小,下部壓力水頭較大,堤壩右側的壓力水頭介于0 m～-2 m 之間。堤壩內的水頭沿著豎直Y 方向從堤壩下部至堤壩上部近似呈現出“S”型的變化趨勢。

（2）堤壩總水頭變化整體呈現出,左側靠近蓄水水體部位的總水頭較大,右側下游遠離蓄水水體部位的總水頭較小,最右側的總水頭為0 m～2 m。堤壩內的水頭沿著水平X 方向近似呈現出直線型的變化趨勢。

（3）上述壓力水頭、總水頭和堤壩內的水頭沿著豎直Y方向和水平X 方向的變化結果均表明,該堤壩設計分層截面形式和各層的物理力學參數選取合理,在類似堤壩工程中可參考應用。