變坡度截面水利大壩在超高蓄水條件下的性能研究

章國才，熊志軍

(湖北省漢江河道管理局 杜家臺分洪閘管理分局，湖北 仙桃 433000)

1 概 述

水利工程大壩常被用于蓄水發電，攔截上游水流，防洪防澇，或用來調節市域間的水量分配。大壩的橫截面形式與大壩高度及預期蓄水量有很大關系。許多學者對各類型水力大壩工程在設計、建造、運營期的安全穩定性進行了研究。譚峰屹[1]采用碾壓試驗方法，對爆破填筑料在施工中的最佳灑水量進行了研究。結果表明，灑水量在5%～10%時，爆破填筑料的壓實量最好，孔隙率降到最低，達到最優力學性能狀態。黃朝君等[2-3]對丹江口大壩40年運營以來出現的裂縫治理問題進行了分析，結果表明壩體裂縫的治理應分水下治理和水上治理兩個部分綜合開展，為了使加高后的大壩發揮加高價值，保證結構安全，應對處理后的裂縫進行跟蹤監測。黃本忠等[4-5]對大壩運營期信息獲取中易出現的各類問題進行了研究，結果表明通過建設大壩安全運營管理平臺程序，能夠較快獲取大壩運營期的各方面不利信息。張翱等[6]通過總結現場加固工程的排險施工效果、施工情況與過程總結，對排險加固工程的設計和施工進行了分析討論。結果表明，抓住枯水期這一有利時機開展加固及改進工程的施工，是對大壩主體建筑及其他附屬設施工程進行升級改造的重要手段。王媛怡等[7]為避免大壩長期在有水環境中的水化學污染，對用于保護大壩混凝土表面的防護涂層的選擇和性能特征進行了研究。結果表明，多種復合材料組成的復合涂料是當前廣泛采用和今后混凝土表面涂層材料的重要發展方向。陳昂等[8-9]對水庫大壩建設的各階段工程中，與各階段工程相關的生態文明建設進行了研究。結果表明，在建設各階段工程中，生態文明建設實施的方式和途徑不一。具體實施時，應加強各階段工程生態文明建設實施過程之間的聯系。尹正宇等[10-11]研究了西藏旁多水利樞紐工程后期運營中所運行的一套安全監測自動化系統運行情況。結果表明，該自動監測系統適用于高海拔地區的大壩運營期的穩定性監測。

本文依托長江支流的某水利大壩工程，開展變坡度截面的大壩設計形式在超高蓄水水位條件下的穩定和相關水力特性研究，采用Geo-Studio軟件對變坡度截面設計的下游端大壩形式的性能進行研究。

2 工程概況

該實體變坡度截面大壩位于我國長江支流，大壩采用混凝土修筑，大壩形式為重力式大壩，上游端采用垂直的截面形式，下游端為由緩至陡的變坡度截面形式，大壩的修建對于防治洪災、澇災至為關鍵，大壩具體橫斷面形式見圖1。大壩垂直截面由底至頂總高約20m，大壩底部總長約37m。大壩從下至上由4種材料組成，最下層為C40混凝土，向上依次為砂卵石質黏土層、碎石土層、夯實黏土層。各層材料的物理力學性能見表1。

圖1 實體大壩橫斷面圖

表1 各層材料物理力學參數

3 數值模擬

3.1 模型的建立

Geo-Studio軟件在建模方面有著良好的用戶交互界面，十分便捷，為建立各類工程模型提供了方便。本文采用模塊化建模方式，從下至上依次按照各層高度和多邊形形式對壩體進行模型構建。根據圖1，先將最下層大壩輪廓繪制出來，然后再建立其上層大壩壩基，依次構建，直至整個模型構建完成，見圖2。為了模擬大壩模型圖，圖2與圖1中的大壩原始模型一致。

圖2 構建的大壩模型圖

3.2 大壩的水力分布

為了說明壩體設計的安全性，分別繪制壩體內的飽和度分布圖、壩體內的X方向水力傳導度、壩體內的壓力頭偏差圖、壩體內的水通量圖。

3.2.1 大壩內的飽和度變化

為了研究超高蓄水水位條件下的大壩壩基內飽和度變化特征，繪制并導出大壩內的飽和度變化云圖，見圖3。

圖3 大壩內的飽和度變化云圖

由圖3可知，設置超高蓄水水位條件下，經過模擬計算，大壩壩基內的飽和度變化特征總體呈現沿深度方向逐漸增大，最小飽和度為0.74，最大飽和度為0.98。從飽和度沿上游壩基的分布可以看出，最大飽和度分布區占大壩截面的幾乎全部高度，高約18m。而從上游向下游沿水平方向，飽和度也呈現逐漸減小的變化趨勢，總體變化速率、梯度一致，約為1.44/m。可以看出，下游最大飽和度分布區約占1/4壩基高度，最大飽和度小于1，表明該壩基設計形式和材料選擇合理，且有效阻斷了水流向下游的滲流運動。

3.2.2 X方向水力傳導度特征

經過數值模擬計算后，繪制并導出壩體內的X方向水力傳導度圖，見圖4。

由圖4可知，設置超高蓄水水位條件下，經過模擬計算，大壩壩基內的X方向水力傳導度變化特征總體呈現沿深度方向逐漸增大，最小X方向水力傳導度為2e-7m/s，最大X方向水力傳導度為2.4e-6m/s。從X方向水力傳導度沿上游壩基的分布可以看出，最大X方向水力傳導度占大壩截面的幾乎全部高度，高約17.9m。而從上游向下游沿水平方向，X方向水力傳導度也呈現逐漸減小的變化趨勢，總體變化速率、梯度呈現靠近最大值位置范圍內的區域大，約1e-7m/s；隨著與最大值位置的距離逐漸變大，X方向水力傳導度的變化速率也逐漸變小，最小約2e-9m/s。

圖4 大壩X方向水力傳導度

3.2.3 大壩的壓力頭偏差

壩體內壓力頭偏差圖見圖5。

圖5 壩體內壓力頭偏差圖

由圖5可知，設置超高蓄水水位條件下，經過模擬計算，大壩壩基內的壓力頭偏差總體呈區域性不規則分布特征，最小壓力頭偏差4e-3m，最小壓力頭偏差分布區域位于壩體最上端位置；最大壓力頭偏差為2e-3m，最大壓力頭偏差分布區域位于上游壩體最下端位置。總體變化速率、梯度呈現靠近最大值位置范圍內的區域大，約為1e-4(量綱為1)；隨著與最大值位置的距離逐漸變大，壓力頭偏差變化速率也逐漸變小，最小約為1e-5(量綱為1)。

3.2.4 水流傳導率特征

壩體內的水通量圖見圖6。

圖6 壩體內的水通量圖

由圖6可知，設置超高蓄水水位條件下，經過模擬計算，大壩壩基內的水通量圖變化特征總體呈現從上游至下游方向逐漸減小的變化趨勢，最小水通量為-2.6e-6m3/s·m2，最大水通量為8e-7m3/s·m2。從水通量沿上游壩基的分布可以看出，最小水通量占大壩截面的幾乎全部高度，高約17.8m。而從上游向下游沿水平方向，水通量呈現逐漸減小的變化趨勢，總體變化速率、梯度呈現靠近最小值位置范圍內的區域變化速率大，約為6e-7 m3/s·m3；隨著與最大值位置的距離逐漸變大，水通量變化速率也逐漸變小，最小約為1e-10 m3/s·m3。

4 結 論

1)大壩壩基內最小X方向水力傳導度為2e-7m/s，最大X方向水力傳導度為2.4e-6m/s，變化速率最大約為1e-7m/s，最小約為2e-9m/s。

2)大壩壩基內的壓力頭偏差總體呈現區域性不規則分布特征，最小壓力頭偏差為4e-3m，最大壓力頭偏差為2e-3m；壓力頭偏差變化速率最大約為1e-4(量綱為1)，最小約為1e-5(量綱為1)。

3)壩基下游最大飽和度分布區約占1/4壩基高度，最大飽和度小于1，表明該壩基設計形式和材料選擇合理，且有效阻斷了水流向下游的滲流運動，可為類似壩基工程的設計提供參考。