土石壩對水流滲流過程的影響研究

周 杰

（泗縣水利局,安徽 泗縣 234300）

1 前言

土石壩在各類蓄水工程中廣泛應(yīng)用。為了能夠?qū)ν潦瘔蔚墓ぷ餍阅苡忻鞔_認(rèn)識,許多學(xué)者對土石壩工程的壩體及壩基的各類相關(guān)力學(xué)性質(zhì)和特點開展了廣泛研究,詹美禮等[1]對充填管袋滲流各向異性特征及堤壩管袋堆積體內(nèi)的應(yīng)力-滲流相互耦合作用的特征關(guān)系進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明：滲流主要沿著管袋間接縫向下游運動,管袋接縫呈現(xiàn)的與滲流方向的位置情況不同,滲透系數(shù)大不相同,上覆應(yīng)力也會對滲透系數(shù)產(chǎn)生重要影響,同時影響滲流的各向異性。吳世余等[2]在毛管水存在條件下對由其所產(chǎn)生的對土體強(qiáng)度、土體變形和水在土中的滲流影響作用進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：粉性土水壓傳遞特征與其較高的毛管水頭和較大的滲流系數(shù)有直接關(guān)系,毛管水的存在將會對此類土修筑的堤壩工程特性產(chǎn)生明顯影響。劉曉等[3]針對堤壩滲漏監(jiān)測數(shù)據(jù)受到多種因素干擾的問題,通過滲漏地電模型的兩組對比試驗的結(jié)果分析,表明所建立的滲漏地電模型能夠優(yōu)化監(jiān)測數(shù)據(jù),達(dá)到對監(jiān)測數(shù)據(jù)的正確解譯,從而為滲流預(yù)警提供幫助。林岳等[4]根據(jù)《國際堤壩手冊》中介紹的堤壩侵蝕破壞機(jī)理,總結(jié)分析并對比了國內(nèi)外用于堤壩設(shè)計的各類規(guī)范和準(zhǔn)則中關(guān)于堤壩破壞的準(zhǔn)則判斷,為我國基建提供了數(shù)據(jù)支撐。李向陽等[5]對有關(guān)土石堤壩滲漏監(jiān)測問題進(jìn)行了深入研究,研究結(jié)果表明：電場耦合建立的數(shù)學(xué)模型能夠?qū)B流場與電場同步關(guān)聯(lián),從而對介質(zhì)電阻率隨滲流場的變化特征進(jìn)行模擬,據(jù)此判斷滲透破壞時的特征。由于電流場與滲流場的相似性,戴前偉等[6]通過檢測電流場電位差研究迎水面和背水面的滲流特征,從而獲得與土壩管涌發(fā)生的滲流特征相關(guān)參數(shù)的變化過程。研究結(jié)果表明：矢量電流流場法對于揭示與土石壩滲流相關(guān)問題十分有效,為堤壩滲流相關(guān)問題的研究提供了新思路。作為一個取水水源水庫,青草沙水庫在上海市的供水系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用,陸忠民等[7]對水庫堤壩設(shè)計中遇到的多種復(fù)雜地質(zhì)和水文條件進(jìn)行了安全驗證。驗證結(jié)果表明：該水壩設(shè)計具有抗擊多種復(fù)雜地質(zhì)水文條件的能力,是一個具有一系列創(chuàng)新成果的堤壩設(shè)計。

以上學(xué)者雖然針對土石壩滲流中遇到的多種問題開展了深入研究,但是對土石壩的存在條件下,水流在壩體內(nèi)的滲流運動過程的研究尚未見諸文獻(xiàn)中。本文根據(jù)一現(xiàn)場實際的土石壩堤壩工程,開展了在水位為設(shè)計蓄水水位條件下,壩體內(nèi)水流滲流運動過程的特點研究,研究中,主要通過數(shù)值模擬方法,對其水流的向下游的滲流過程進(jìn)行模擬計算,用到了Geo-studio 軟件中的SEEP 模塊。

2 工程概況

某水庫大壩控制徑流面積50 km2。水庫原設(shè)計總庫容約300×104m3,其中防洪庫容25×104m3,興利庫容275×104m3。水庫排灌干渠渠道全長11.49 km,灌區(qū)對水資源的需求量隨經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展、人民生活水平的提高呈日趨增大的趨勢,與現(xiàn)供水能力之間的矛盾更加突出。工程的長期穩(wěn)定對于灌區(qū)用水的穩(wěn)定供應(yīng)十分關(guān)鍵,堤壩截面設(shè)計形式如見圖1,修筑堤壩時,主要通過對碎石土進(jìn)行逐層壓實作業(yè)來完成該堤壩工程的修建,組成碎石土的材料主要有：粘土、卵石、砂土、尖棱角碎石,顆粒級配良好,構(gòu)成碎石土的各類材料的各項物理力學(xué)參數(shù)如見表1。

表1 土石壩材料物理力學(xué)參數(shù)

圖1 堤壩橫斷面圖

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

Seep 模塊是專門用于水流滲流分析的一個模塊,在Geostudio 軟件中內(nèi)置,其中有關(guān)水流及其他各種流體的特性,在軟件中有各種方法進(jìn)行設(shè)置,最重要的方式是采用軟件自帶的估算功能對其進(jìn)行估算后,根據(jù)試驗獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整,本文即是采用該種方法,經(jīng)過設(shè)置后使其特性與自然條件下水流的流體特性極為近似,以使后續(xù)的分析計算更加精確,隨后設(shè)置堤壩材料的相關(guān)物理及力學(xué)性質(zhì),這主要通過輸入材料功能來實現(xiàn),根據(jù)上文表1中的材料參數(shù),設(shè)置材料屬性,最后賦值給對應(yīng)區(qū)域。

根據(jù)圖1中的堤壩截面形式,設(shè)計相應(yīng)的堤壩計算模型,該堤壩被構(gòu)建成與圖1一樣的直角梯形截面,見圖2,右側(cè)為蓄水水庫,堤壩的梯形直角邊與水庫中的水接觸,堤壩壩基底寬18 m,9 m 的頂寬9 m,高12 m,壩基梯形截面的自身慣性矩（IY和IZ）大小為9.58×1015m4,安全系數(shù)設(shè)計為1.5。

圖2 計算蓄水水庫壩體滲流模型

3.2 滲流特征及總水頭變化

經(jīng)過數(shù)值模擬計算,完成后的滲流結(jié)果圖見圖3。總水頭隨著X 大小的變化過程圖見圖4。

圖3 數(shù)值計算的滲流結(jié)果圖

圖4 水流總水頭隨X（距離）的變化圖

對于滲流過程,最重要的參數(shù)表現(xiàn)特征即為壩體內(nèi)總水頭的分布變化特點,見圖3,為最終計算完成后壩體內(nèi)總水頭的梯度云圖,由圖中可以看出,從右側(cè)開始,總水頭向左側(cè)變化,逐漸變小,右側(cè)的總水頭為10 m,左側(cè)最小總水頭為0 m,這說明壩體發(fā)揮了蓄水作用,水頭梯度變化逐漸增大,右側(cè)水頭變化緩慢,左側(cè)水頭變化加速,說明越往左側(cè),壩體材料的對上游水流的阻礙作用越強(qiáng)。壩體內(nèi)的總水頭呈現(xiàn)出由右上向左下的變化趨勢,右上總水頭最大,左下端總水頭最小。

圖4所示為水流在壩體內(nèi)的總水頭隨著逐漸遠(yuǎn)離源頭水體的變化趨勢圖,由圖可知,水流的總水頭整體呈現(xiàn)出正弦曲線的形式,X=10 m 和X=22 m 處為正弦曲線的拐點也就是極值點,上游總水頭約為9.6 m,隨著X 的增大先逐漸變小,減小到X=10 m位置處的9.2 m,接著隨著X的增大又逐漸增大,達(dá)到X=22 m 處的9.85 m 總水頭后不再上升,而又逐漸減小,最終減小至值約為9.4 m 的總水頭值。

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬手段,對重力式土石壩設(shè)計的安全性和穩(wěn)定性進(jìn)行了計算分析,主要獲得以下結(jié)論：

（1）壩體內(nèi)的總水頭呈現(xiàn)出由右上向左下的變化趨勢,右上總水頭最大,約為10 m,左下端總水頭最小,值為0 m。

（2）隨著逐漸遠(yuǎn)離源頭水體,在同一高度（蓄水水位的同一深度）處,水流的總水頭整體呈現(xiàn)出正弦曲線的形式。

（3）經(jīng)過計算,該壩體設(shè)計斷面形式合理,起到了良好的蓄水作用,可為類似工程提供參考。