結(jié)合三維算例分析技術(shù)的混凝土面板堆石壩面板防滲效果研究

徐智謀

(中國重型機(jī)械有限公司,北京 100070)

0 引 言

在現(xiàn)代工程建設(shè)中,混凝土面板堆石壩作為一種重要的水工結(jié)構(gòu),其防滲性能對于工程的安全運行至關(guān)重要[1]。然而,由于混凝土面板堆石壩的工作環(huán)境復(fù)雜多變,其面板防滲效果受到多種因素的影響,如地質(zhì)條件、施工工藝、材料性能等[2]。因此,對不同工況下混凝土面板堆石壩的面板防滲效果進(jìn)行研究,對于提高工程的安全性和經(jīng)濟(jì)效益具有重要的理論和實踐意義[3]。

目前,混凝土面板堆石壩的防滲效果一般通過靜態(tài)監(jiān)測方法來評估。這些方法主要依賴于有限數(shù)量的監(jiān)測點,無法提供全局的數(shù)據(jù),對于不同工況的防滲效果無法進(jìn)行分析,存在一定局限性[4]。通過開裂因素分析,可以識別可能導(dǎo)致混凝土面板堆石壩開裂和滲漏的關(guān)鍵因素,有助于深入分析問題的根本原因。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行建模仿真分析,可以全面考慮多個物理因素,模擬混凝土面板堆石壩在不同工況下的工作狀態(tài),有助于提前識別問題并采取相應(yīng)措施[5]。

Comsol Multiphysics是一種多物理場仿真軟件,可用于模擬多個物理現(xiàn)象,如熱傳導(dǎo)、滲流、力學(xué)等,其軟件特點與堆石壩的面板防滲效果研究需求相符合。在該背景下,本文提出針對不同工況的混凝土面板堆石壩面板防滲效果研究方法,將多物理場仿真軟件應(yīng)用于混凝土面板堆石壩面板開裂及滲流數(shù)值模擬中,以期為水利工程建設(shè)提供可行的技術(shù)參考。

1 混凝土面板堆石壩面板開裂及滲流數(shù)值模擬方法設(shè)計

1.1 混凝土面板堆石壩面板開裂因素分析

混凝土面板堆石壩是由堆石體和防滲系統(tǒng)構(gòu)成的壩體結(jié)構(gòu),其中防滲系統(tǒng)由鋼筋混凝土面板、趾板等結(jié)構(gòu)組成[6-7]。良好的防滲效果不僅可以保證大壩的安全,還可以避免水資源的浪費,確保下游的供水需求得到滿足[8-9]。針對混凝土面板堆石壩面板開裂及滲流數(shù)值進(jìn)行模擬,能夠為堆石壩工程的安全維護(hù)提供更多技術(shù)保障,提升大壩的經(jīng)濟(jì)效益[10-11]。

研究首先對混凝土面板堆石壩面板的開裂因素進(jìn)行分析。在進(jìn)行開裂分析時,以現(xiàn)有壩體開裂案例作為參考信息,對壩高、面板厚度、裂縫寬度深度長度、裂縫走向、裂縫位置以及裂縫形成因素進(jìn)行分析。混凝土面板開裂主要表現(xiàn)為非結(jié)構(gòu)性裂縫和結(jié)構(gòu)性裂縫兩類。

非結(jié)構(gòu)性裂縫主要由干縮應(yīng)力、溫度應(yīng)力和濕度變化引起,主要來自內(nèi)部應(yīng)力和壩體自身的收縮。干縮應(yīng)力是壩體內(nèi)混凝土發(fā)生濕度變化而產(chǎn)生的,混凝土在完成拌和后含有一定水分,隨著時間流逝,部分水分被蒸發(fā),導(dǎo)致混凝土有效體積變小。混凝土的干縮屬于自然現(xiàn)象,受混凝土成分配比和內(nèi)部結(jié)構(gòu)約束的影響。溫度應(yīng)力主要由外界氣溫變化、混凝土內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致。混凝土在澆筑時,內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部保持較高溫度,完成化學(xué)反應(yīng)后溫度驟降,導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)形狀變化趨勢。當(dāng)外界溫度出現(xiàn)突然變化時,混凝土表面溫度發(fā)生快速變化,混凝土內(nèi)部和表面出現(xiàn)較大溫差,所產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過面板可承受應(yīng)力上限,導(dǎo)致面板出現(xiàn)開裂情況。

結(jié)構(gòu)性裂縫主要來自壩體的不均勻沉降和地質(zhì)地形影響,堆石壩在修建時的分期填筑工藝會導(dǎo)致壩體出現(xiàn)不均勻的沉降現(xiàn)象,面板在這種情況下的變形不均勻,進(jìn)而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫。堆石壩中使用的堆石體在長期工作時會出現(xiàn)流變變形,使面板脫空出現(xiàn)裂縫。在壩體工作時,壩體浸潤線以上部分的材料會因浸潤線上升出現(xiàn)濕化作用,出現(xiàn)沉降,進(jìn)而產(chǎn)生壩體裂縫。因為壩體工程的特殊性,堆石壩一般被建造在復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域,復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)對壩體施加的應(yīng)力導(dǎo)致壩體出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫。

1.2 結(jié)合水壓力分析的面板開裂數(shù)值模擬方法

水下裂縫的入水口壓力受到所處水深高度的影響,導(dǎo)致裂縫內(nèi)部的滲流受到不用程度水壓影響,使流速和滲流量的參數(shù)發(fā)生變化,滲流場的分布情況也受到影響[12-13]。在對面板開裂數(shù)值進(jìn)行模擬時,綜合水壓力情況進(jìn)行分析[14]。進(jìn)行數(shù)值模擬時,使用Comsol Multiphysics模擬仿真軟件進(jìn)行建模仿真分析。進(jìn)行數(shù)值計算前,選取代表水壓范圍和代表裂縫寬度,暫不進(jìn)行不同裂縫深度的分析,并假定面板已被貫穿[15]。以開裂寬度和深度作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),建立簡單的二維裂縫模型,并進(jìn)行網(wǎng)格剖分,獲取邊單元和域單元。通過流量和入水口水壓的關(guān)系式對裂縫進(jìn)行構(gòu)建,公式如下:

Q=a·Pb

(1)

式中:Q為裂縫通過流量,m3/s;P為入水口水壓,MPa;a、b均為擬合參數(shù)。

當(dāng)水流流動狀態(tài)符合達(dá)西定律時,通過流量與水力梯度的關(guān)系如下:

Q=KAJ

(2)

式中:K為滲透系數(shù);A為過流面積,m3;J為水力梯度,Pa/m。

引入裂縫深度參數(shù),生成滲透系數(shù)計算式,公式如下:

式中:d為裂縫深度,也可作為滲徑長度,m;n、m均為滲透系數(shù)擬合參數(shù)。

在建立三維算例模型時,對算例模型進(jìn)行簡化,將網(wǎng)格密度設(shè)置為相同參數(shù),并通過八節(jié)點六面體的形式進(jìn)行劃分。所構(gòu)建的模型主要包含壩體兩岸基巖、墊層、防滲墻、堆石體和面板部分。構(gòu)建的三維算例模型見圖1。

圖1 壩體三維算例模型

圖1中,所構(gòu)建的三維算例模型設(shè)置水流方向為模型空間Y軸正方向,設(shè)置河流左岸到右岸方向為X軸正方向,設(shè)置大壩基巖最低點為Z軸起點,沿地面向上為Z軸正方向。X軸涉及的尺寸參數(shù)主要為壩體兩岸巖體寬度和壩體寬度;Y軸涉及的尺寸參數(shù)主要為上下游段河床長度和壩體最大截面長度;Z軸涉及的尺寸參數(shù)主要為大壩高、基巖厚度和覆蓋層厚度。

計算時,在壩體上游加入長度為200m的水頭,在壩體下游加入長度為120m的水頭,不考慮地下水邊界,設(shè)置兩岸巖體外側(cè)為不透水邊界。

模型運行時,需輸入不同部位的滲透系數(shù)為計算參數(shù)。設(shè)置0～0.15MPa、0.15～0.48MPa、0.48～0.80MPa、0.80～1.01MPa共4個水壓梯度范圍,分別對應(yīng)不同水位高度范圍。

1.3 不同連接方式防滲墻滲流數(shù)值模擬方法

面板堆石壩是一種用堆石或砂礫石分層碾壓填筑成壩體,同時采用混凝土面板作為防滲體的壩型結(jié)構(gòu)。防滲系統(tǒng)由鋼筋混凝土面板、趾板、趾板地基的灌漿帷幕、周邊縫和面板間的接縫止水組成。面板位于堆石壩體上游面,起到防滲作用。在進(jìn)行防滲墻滲流數(shù)值模擬時,需要對連接板、趾板、混凝土面板和防滲墻進(jìn)行考慮。面板是堆石壩的關(guān)鍵部分,位于堆石壩體的上游表面,用作防止水流滲入的防滲體,其強(qiáng)度和耐用性直接決定了堆石壩的使用壽命。趾板是連接面板和堆石壩體的構(gòu)件,不僅支撐面板,也負(fù)責(zé)將水壓力傳遞到堆石壩體上。因此,趾板需要具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性,能夠承受來自面板和堆石壩體的壓力。連接板是用于連接相鄰兩塊面板的結(jié)構(gòu)件,以確保整個面板結(jié)構(gòu)在受到外力作用時能保持整體穩(wěn)定,減少因溫度變化或地震等外力導(dǎo)致的裂縫產(chǎn)生。

防滲墻是修建在松散透水層或土石壩(堰)中起防滲作用的地連續(xù)墻,通過向地基中注入一定濃度的水泥漿液,形成一道連續(xù)的防水屏障,從而阻止水的滲透。防滲墻一般有剛性連接和柔性連接兩種連接方式。剛性連接方式設(shè)置連接梁,將混凝土灌樁和防滲墻進(jìn)行連接,混凝土連接梁上方與趾板和連接板相連接。柔性連接使用柔性止水和連接板,將趾板與防滲墻連接為一體,趾板和面板之間設(shè)置有柔性止水,連接板和趾板安裝在覆蓋層之上。針對防滲墻的結(jié)構(gòu),將數(shù)值模擬時使用的模型進(jìn)行簡化,見圖2。

圖2 防滲墻簡化模型

由圖2可知,在未進(jìn)行簡化時,剛性連接模型主要含有兩層防滲墻、連接梁和趾板結(jié)構(gòu);柔性連接模型主要含有防滲墻和趾板結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行簡化時,從防滲目的出發(fā),省略連接板和趾板結(jié)構(gòu),僅保留防滲墻,并將面板結(jié)構(gòu)前移與防滲墻相連接。所建立的三維網(wǎng)格模型僅截取整個壩體的一個壩段,其中包含防滲墻、墊層、面板、覆蓋層和堆石體部分。進(jìn)行模擬時,結(jié)合材料滲透系數(shù)和防滲墻開裂位置,對滲流場情況進(jìn)行分析。

2 混凝土面板堆石壩面板開裂及滲流數(shù)值模擬方法有效性分析

為了對研究設(shè)計的開裂及滲流數(shù)值模擬方法在對混凝土面板堆石壩面板進(jìn)行分析時的有效性進(jìn)行分析,選取一座正常蓄水位800m的混凝土面板堆石壩工程進(jìn)行應(yīng)用分析。該工程死水位795m,壩頂寬10.0m,壩頂長348.2m,最大壩高111.0m,上游坡比1∶1.4,覆蓋層厚度44～48m。壩體結(jié)構(gòu)由下到上分別為次堆石區(qū)、主堆石區(qū)、過渡層、墊層和面板,混凝土防滲墻被設(shè)置在壩體上游位置。設(shè)置壩體材料參數(shù)見表1。

表1 壩體材料參數(shù)

對不同水平鋪蓋長度下的壩前水頭值和壩內(nèi)水頭等值線高度變化進(jìn)行分析,見圖3。

圖3 壩前水頭值和壩內(nèi)水頭值等高線變化

由圖3可知,在不同防滲墻深度情況下,壩前水頭值和壩內(nèi)水頭等值線高都隨著水平鋪蓋長度變大而下降。在無防滲墻時,水平鋪蓋長度為50m時的壩前水頭值為155m;水平鋪蓋長度達(dá)到350m時的壩前水頭值下降至140m。在防滲墻深為18m時,水平鋪蓋長度為50m時的壩前水頭值為155m;水平鋪蓋長度達(dá)到350m時的壩前水頭值下降至130m。在防滲墻深為30m時,水平鋪蓋長度為50m時的壩前水頭值為165m;水平鋪蓋長度達(dá)到350m時的壩前水頭值下降至130m。在無防滲墻時,水平鋪蓋長度為50m時的壩內(nèi)水頭等值線高為91.9m;水平鋪蓋長度達(dá)到350m時的壩內(nèi)水頭等值線高為52.6m。在防滲墻深為18m時,水平鋪蓋長度為50m時的壩內(nèi)水頭等值線高為36.4m;水平鋪蓋長度達(dá)到350m時的壩內(nèi)水頭等值線高為-15.1m。在防滲墻深為30m時,水平鋪蓋長度為50m時的壩內(nèi)水頭等值線高為20.6m;水平鋪蓋長度達(dá)到350m時的壩內(nèi)水頭等值線高為-19.3m。

結(jié)果表明,研究方法能夠有效對水壩水位進(jìn)行分析,同時表明水壩前方的水位受到水平鋪蓋長度的影響,較遠(yuǎn)處的水平位置水位較低。對不同防滲墻深度情況下的滲流量進(jìn)行分析,見圖4。

由圖4可知,堆石區(qū)和壩基的滲流量隨著水平鋪蓋長度的增加而減小。在堆石區(qū),無防滲墻時,水平鋪蓋長度為0m時的滲流量為1.04×10-4m3/s;水平鋪蓋長度上升至350m時的滲流量下降至3.1×10-5m3/s。防滲墻深18m時,水平鋪蓋長度為0m時的滲流量為4.4×10-5m3/s;水平鋪蓋長度上升至350m時的滲流量下降至0.6×10-5m3/s。防滲墻深30m時,水平鋪蓋長度為0m時的滲流量為3.0×10-5m3/s;水平鋪蓋長度上升至350m時的滲流量下降至0.6×10-5m3/s。

在壩基,無防滲墻時,水平鋪蓋長度為0m時的滲流量為3.85×10-5m3/s;水平鋪蓋長度上升至350m時的滲流量下降至1.51×10-5m3/s。防滲墻深18m時,水平鋪蓋長度為0m時的滲流量為2.18×10-5m3/s;水平鋪蓋長度上升至350m時的滲流量下降至0.36×10-5m3/s。防滲墻深30m時,水平鋪蓋長度為0m時的滲流量為1.64×10-5m3/s;水平鋪蓋長度上升至350m時的滲流量下降至0.36×10-5m3/s,表明研究方法能夠有效對水壩不同部位滲流量進(jìn)行分析。

防滲墻能夠?qū)B流場產(chǎn)生有效影響,且水平鋪蓋對滲流量的影響能力存在上限,水平鋪蓋的最大有效長度為250m。對不同水平鋪蓋滲透系數(shù)的總水頭等值線分布進(jìn)行分析,見圖5。

圖4 滲流量分析

圖5 總水頭等值線分布分析

由圖5可知,在滲透系數(shù)為1×10-3m/s時,上游水平鋪蓋基本不起防滲作用,所產(chǎn)生的滲流場分布情況與無水平鋪蓋情況相近,壩基下游和上游的水頭數(shù)據(jù)沒有明顯變化。當(dāng)滲透系數(shù)減小時,總水頭等值線分布開始分散,并逐漸向遠(yuǎn)離壩體的方向移動。滲透系數(shù)為1×10-5m/s時,滲徑延長至187.5m,防滲墻下游的水頭等值線高度向下移動35.2m;滲透系數(shù)為1×10-7m/s時,滲徑延長至295m;滲透系數(shù)為1×10-9m/s時,滲徑延長至295.7m;在滲透系數(shù)達(dá)到1×10-7m/s之后,滲徑和防滲墻下游的水頭不再出現(xiàn)明顯變化。表明水平鋪蓋防滲措施能夠明顯增加壩前滲徑,研究方法能夠有效對不同工況的防滲效果進(jìn)行分析。

3 結(jié) 論

針對混凝土面板堆石壩的維護(hù),本文提出了一種防滲效果分析方法。結(jié)合實際項目數(shù)據(jù),對混凝土面板的開裂因素進(jìn)行了研究,然后使用Comsol Multiphysics模擬仿真軟件進(jìn)行建模仿真分析,并以簡化模型為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)值分析。結(jié)果表明,在防滲墻深為30m時,研究方法分析得到水平鋪蓋長度為50m時的壩前水頭值為165m;在滲流量分析中,壩基防滲墻深18m時的滲流量為2.18×10-5m3/s,表明研究方法能夠有效地對不同工況的面板防滲效果進(jìn)行分析。