坝体材料对水在坝体中的渗流特征影响

王伟聪

（浙江省围海建设集团股份有限公司,浙江 宁波 315100）

1 前言

坝体材料的选择关乎坝体的可储水量和安全稳定,高性能材料修筑困难,增加工程造价和设计投入,选择与水库设计水位相符的材料进行坝体设计是合理选择。范超等[1-2]对鱼枧水库工程中所采用的沥青砼材料进行了配比研究,根据不同的级配、不同的油石含量、不同配比填料进行试验后最终选择沥青砼材料。蔡正银等[3]根据自然力作用下形成的堰塞堆积体特性,通过数值分析手段,分析了堰塞体不同材料配比时的水力特性后,得出不同结构堆积体条件下的水力特性,为相应的灾害防治提供了科学支撑。李泽等[4-5]对病险土石坝的特性进行了研究,采用两种现代理论手段结合有限元数值模拟技术和蒙特卡洛方法对病险土石坝进行了可靠度分析,应用于云南一病险土石坝中,为该坝病险治理提供了极大的计算量化的理论支撑。朱亚林等[6-7]研究了土工格栅加固高土石坝时在地震作用下的性能表现,采用了FALC 3D软件进行了计算分析,并对软件中内置的M-C模型进行适当修正,最终得出土工格栅在高土石坝中的植入能够起到有效的加固作用,为高土石坝采用土工格栅进行加固的效果提供了可靠验证。

本文对坝体的材料选择问题利用Geo-studio软件进行建模计算数值分析,首先将坝体轮廓在软件中进行建模,然后将坝体材料赋予不同的材料参数,设置好相关边界条件后,进行计算分析,通过对计算后得到的水力特征图和表的适当解释,得出相应不同材料下的变化规律,为该坝体修筑时材料的选择提供量化依据。

2 工程地质

拟建工程为一水库堤坝,位于昆明市,是昆明市汛期防洪灾害预防的支撑性工程,坝体计划采用两种不同材料进行修筑。由于两种材料的相关水力特性未获得,目前两种材料的最终确定有待商榷,一种材料是采购的碎石粘砂土材料,另一种是就地取材的崩滑堆积体材料,两种材料的各项力学物理性质具体指标参见表1,坝体的设计剖面见图1,计划水库储水水位为8 m。

图1 水库堤体剖面

表1 拟采用两种材料的参数

3 Geo-studio软件介绍

Geo-studio软件由于自动化程度高,建模迅速,相关属性和赋值设置简洁,模拟效果良好而在岩土工程中特别是坝体渗流分析中得到大量应用,其Seep模块更是在负孔隙水压力的获得上相比其它数值计算软件有着特殊优势。

4 水库坝体模型创建

根据图1中所示的水库坝体实体模型在Geo-studio中进行多边形绘制区域建模,最终创建的数值计算分析模型见图2,通过输入表1中的材料特性参数设置崩滑堆积土和碎石粘砂土的材料特性,首先进行其中一种材料的计算,获得计算结果后,将相应的计算结果导出,在进行另一种材料的计算,获得相应的计算结果后,随之将计算结果导出。

图2 水库坝体模型

5 模拟结果

下文分别分析在采用崩滑堆积土和碎石粘砂土材料情况下坝体的水力特性,主要分析水流流动经过坝体时的路径,此外还包括坝体内的总水头分布特征和坝中截面的总水头特征,通过这些特征的分析比较,确定采用哪种材料进行坝体的修筑。

（1）崩滑堆积土材料

采用崩滑堆积土材料进行坝体的填充时,坝体内的相关水力特征图分布特点见图3,水流整体向右下角运动,主要受到水流自身重力和渗透力的作用,总水头在左边界处的变化缓慢,降低较小越往右侧降低越大,以底部边界为参考,左边界水流运动约7 m时,总水头降低1 m,右边界水流运动不超过1 m时,总水头即降低1 m。

图3 坝体内水力特征

图4所示是崩滑堆积土材料的坝体计算获得的正中位置的总水头,由此可见,坝体正中位置的总水头最大值约为6.42 m,坝体正中位置的总水头最小值约为6.28 m,整体由下而上逐渐变大,曲线由下而上略呈S型过渡。

图4 坝体正中位置的总水头

（2）碎石粘砂土材料

采用碎石粘砂土材料进行坝体的填充时,坝体内的相关水力特征图分布特点见图5,水流整体向右下角运动,主要受到水流自身重力和渗透力的作用,总水头在左边界处的变化缓慢降低较小,越往右侧降低越大,以底部边界为参考,左边界水流运动约7 m时,总水头降低1 m,从等值线上部形态可以看出,水流在该碎石粘砂土材料中所受到的土体粘滞阻力相比于崩滑堆积土材料较大,右边界水流运动不超过1 m时,总水头即降低1 m,相比于图3 中的崩滑堆积土材料的坡降更为迅速,同样说明水流在该碎石粘砂土材料中所受到的土体粘滞阻力相比于崩滑堆积土材料较大。

图5 碎石粘砂土材料坝体内水力特征

图6所示是碎石粘砂土材料的坝体计算获得的正中位置的总水头,由此可见,坝体正中位置的总水头最大值约为4.86 m,坝体正中位置的总水头最小值约为3.87 m,明显小于采用崩滑堆积土材料的坝体正中位置的总水头值,整体由下而上逐渐变大,曲线由下而上略呈S型过渡。

图6 碎石粘砂土材料坝体正中总水头

6 结论

（1）水流在碎石粘砂土材料中所受到的土体粘滞阻力相比于崩滑堆积土材料较大。

（2）采用碎石粘砂土材料的坝体计算获得的正中位置的总水头明显小于采用崩滑堆积土材料的坝体正中位置的总水头值。

（3）尽管采用碎石粘砂土材料进行坝体修筑价格昂贵,但是基于安全考虑,建议该坝体修筑采用碎石粘砂土材料。