坝基裂隙渗流耦合特性分析

杜万军

摘 要：某工程在建设初期发现坝基处存在两组裂隙，为研究枢纽裂隙渗流对坝基渗流场和坝体扬压力的影响，采用三维有限元软件进行建模计算。结论为：裂隙岩体渗流耦合作用下，裂隙通道的渗流量增大，裂隙水头增加，坝基扬压力增大。

关键词：裂隙；渗流；扬压力；耦合

引言

裂隙渗流和岩体受力之间存在一定的耦合特性[1]，尤其是对于大型水利枢纽来说，不能忽略裂隙岩体对整个枢纽区渗流场[2]和安全运行的影响。本文以实际工程为例，对裂隙渗流[3-4]耦合特性进行计算分析。

1 工程概况

某混凝土重力坝坐落在裂隙岩体基岩上，库容1200万m3，装机5万kW，年发电量2000万kWh，坝基研究区域分布的基岩以灰岩为主，有少量白云质灰岩、泥质灰岩、白云岩及角砾灰岩等，主要发育2组裂隙。

2 计算模型

有限元模型建模区域为：坝基上下游方向共500m，深250m，坝高130m，底宽100m，上游水位330m，下游水位为210m。这个范围足以说明工程活动对应力场的影响，且不会限制应力场的生成。裂隙基岩特征参数见表1，坝基及坝体材料的物理参数见表2。

3 計算结果分析

由于坝体为混凝土重力坝，只考虑坝基的渗流场变化来分析，渗流边界条件为水头：工况一：上游120m，下游0m；工况二：上游100m，下游0m，进行计算。其余边界为不透水，整体模型结构受到重力荷载、水压力和渗透压力的作用。计算断面取顺河向大坝中部位置进行结果分析。

从结果云图可以看出：由于两种工况作用水头不同，工况一整体水头比较高，裂隙中的水头也比较高，最大水头103.16m，最小水头36.904m，计算得到下游渗流量为：耦合前79.83（m3/天），耦合后为101.09（m3/天）。工况二水头较工况一低一些，裂隙中的水头也比较低，最大水头85.963m，最小水头30.753m，计算得到下游渗流量为：耦合前66.53（m3/天），耦合后为83.98（m3/天）。

4 结束语

通过建立三维有限元模型进行不同工况计算，可得出如下结论：

（1）上游水位越大，整个枢纽区渗流场水头越高，裂隙水头越高，下游渗流量越大。

（2）坝基裂隙耦合和非耦合计算结果表明，耦合计算后坝基扬压力比耦合前大，坝基渗流量增大，坝基渗流场等值线抬高，这样对坝体和坝基的稳定会产生不利影响。

（3）为保证坝体安全运行，可以对两组裂隙进行灌浆处理。

参考文献

[1]祝云华，刘新荣，梁宁慧，等.裂隙岩体渗流模型研究现状与展望[J].工程地质学报，2008，16（2）：178-183.

[2]陶煜，刘卫群.裂隙岩体渗流-应力耦合等效渗流阻模型[J].岩土力学，2012，33（7）：2041-2047.

[3]陈伟，阮怀宁.随机连续模型分析裂隙岩体耦合行为[J].岩土力学，2008，29（10）：2708-2711.

[4]孙玉杰，邬爱清，张宜虎，等.基于离散单元法的裂隙岩体渗流与应力耦合作用机制研究[J].长江科学院院报，2009，26（10）：62-70.