碾压混凝土坝防渗能力数值模拟研究

张彦辉 刘春玉 祝承义

(1.湖北三峡职业技术学院交通工程学院，湖北 宜昌 443000； 2.雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610051)

碾压混凝土坝防渗能力数值模拟研究

张彦辉1刘春玉1祝承义2

(1.湖北三峡职业技术学院交通工程学院，湖北 宜昌 443000； 2.雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610051)

以思林水电站工程为依托，通过建立溢流坝段二维有限元模型，对该碾压混凝土坝段进行了渗流分析，并探讨了坝基面上的扬压力分布特征，得出了一些有价值的结论，为类似问题的研究提供了参考依据。

碾压混凝土坝，防渗能力，上游面板，渗透系数

碾压混凝土坝的施工特点，决定了其具有节约水泥，造价较低，施工速度快的优点；并且混凝土裂缝少，质量好，是对传统混凝土筑坝方法的一次重大改革[1]。但是碾压混凝土坝的渗流和防渗问题，是自这种新坝型出现以来人们普遍关心的问题之一。所以，关键问题就是通过研究碾压混凝土坝的防渗特性，采取合理的防渗控制措施去解决碾压混凝土坝的渗流问题。

1 工程概况

本文以思林水电站碾压混凝土溢流坝段建立二维有限元模型。其坝顶全长310.0 m，坝顶高为117 m，在河床溢流坝段设7孔尺寸为13 m×21.5 m的溢流表孔，泄洪排沙兼放空底孔设溢流坝右侧，尺寸为5 m×7.5 m，底板高程380 m。下游顺河流方向消能方式为戽式消力池，池底最低高程348 m，戽池长58.667 m。坝区所有钻孔都作了压水试验，各种岩石透水率见表1。

表1 各种岩石的透水率

2 溢流坝段二维有限元模型建立

2.1 有限元模型材料参数的选择

由于溢流坝段坝体不同部位混凝土材料的抗渗指标、抗压强度、极限拉伸、轴拉强度、弹性模量、泊松比相差很小，可以将坝体部分看作由变态混凝土，常态混凝土，碾压混凝土三种材料组成。与溢流坝作用的地基渗透系数相差不大，可近似为一种材料；它们之间的裂隙视为一种材料，帷幕为一种材料；在坝体内部设一层面，其厚度为1 cm；7种材料的渗透系数见表2。

表2 各材料的渗透系数(一) cm/s

2.2 溢流坝段实体模型建立

该碾压混凝土重力坝为一等工程，下游戽式消力池长58.667 m，池底最低高程348 m，坝体左右两端地基取值为1倍～1.5倍的坝高，长度取150 m，地基深度为1倍～2倍的坝高，深度取150 m；利用ANSYS软件建立溢流坝段实体模型，根据边界条件，材料参数还有单元性质等建立模型及几何尺寸如图1所示。

2.3 网格划分

本文采用ANSYS有限元工程分析软件，用边界线来控制映射网格划分的尺寸，且应保证面一组对边上必须有相等的单元划分数或单元划分数符合过渡网格划分模式；在面的边界由3条线组成的情况下，必须保证各边上的单元划分数相等。要进行渗流分析就采用Plane55[7]单元，该网格为四边形面单元，节点数为921，单元数为846。

3 渗流分析

通过渗流程序对该坝段进行渗流分析。将坝体各节点坐标和单元数输入程序中，第一类边界条件为上游最高水头和下游水头，然后将各材料渗透系数输入程序中，得出等势线、等孔隙水压力线、渗流场等图形。

方案一为上游设有防渗面板，通过改变防渗面板的渗透系数对防渗效果进行比较。各材料渗透系数见表3。

表3 各材料的渗透系数(二) cm/s

将表3中第一行的渗透系数输入程序中，得出的图形线见图2，图3。

将表3中方案一中第二行各材料渗透系数输入程序中，得出的图形线见图4，图5。

第一种方案是在其他渗透系数不变的情况下，改变上游防渗面板的渗透系数得出不同的等孔隙水压力线和等势线。由图2～图5可以得出，在其他材料渗透系数相同的前提下，上游防渗面板渗透系数越小，坝体防渗效果越好。

第二种方案是上游采用防渗面板和不采用防渗面板进行比较。

将表3中第三行的渗透系数输入后得出的图形线如图6，图7所示。

与方案一中图2～图5进行比较，图6，图7坝体浸润线位置更高，这更进一步说明了防渗面板对坝体防渗效果的影响，所以一定要设防渗面板。

第三种方案是改变层面的渗透系数，其他渗透系数不变进行比较。与上面两种方案中层面的渗透系数不同，其他材料渗透系数一样，得出的等孔隙水压力线和等势线。在上游具有完整的防渗措施的条件下，碾压混凝土坝体中的层面能起到较理想的水平排水作用，从而提高了碾压混凝土坝的整体防渗能力。

4 坝基面上的扬压力分布

从图2～图7可以看出水流经过防渗帷幕时，水头有所降低，说明防渗帷幕起到了一定的防渗作用。现对坝基面的扬压力进行分析，由公式φ=z+P/r可以得出坝基面上每点处的扬压力值，即：

z=φ-P/r。

坝基面高程为335 m，由坝基面上每点处等势线的值减去坝基面高程，从扬压力曲线图中可以看出：1)扬压力在防渗帷幕位置处有较大的转折，说明防渗帷幕起到了防渗作用；2)上游设防渗面板与不设防渗面板情况下坝基面上的扬压力在帷幕处的变化不大。

5 结语

1)在其他材料渗透系数相等，上游面板渗透系数由1×10-11cm/s增大一个数量级时，坝体浸润线逸出点位置升高近10%，说明想要使坝体防渗效果好，上游防渗面板渗透系数要越小；并且面板的相对抗渗性决定了防渗面板的防渗效果的好坏。

2)在上游防渗面板渗透系数很小，并且其他材料渗透系数都相同的情况下表明层面渗透系数增大，坝体防渗效果反而提高，所以碾压混凝土大坝的渗透性取决于层面的渗透性。

3)由于层面和缝面的渗透系数很大，必须要求坝体具有很高的防渗和防裂能力，并且有高质量的止水结构，才能避免层面和缝面上出现过大的扬压力。

[1] 崔宝平.斜层碾压混凝土重力坝应力与稳定分析[D].大连：大连理工大学，2002.

[2] 朱岳明.碾压混凝土坝的渗流分析研究[J].水电能源科学，2002(15)：25-27.

Numerical simulation research on anti-seepage ability of RCC dam

Zhang Yanhui1Liu Chunyu1Zhu Chengyi2

(1.CollegeofTrafficengineering,HubeiSanxiaVocationalCollege,Yichang443000,China;

2.YalongRiverHydropowerDevelopmentCo.,Ltd,Chengdu610051,China)

Based on Silin hydropower station engineering, through establishing dimensional finite model of overflow dam section, the paper analyzes its seepage of RCC dam section, explores the dam foundation stress distribution features, and draws some valuable conclusions, which has provided some basis for similar problems research.

Roller Compacted Concrete(RCC) dam, anti-seepage ability, upstream panel, seepage coefficient

1009-6825(2015)02-0215-02

2014-11-03

张彦辉(1982- )，女，硕士，工程师

TV642

A