变截面水利大坝在峰值水位条件下的蓄水性能研究

曹文逸

(广东东水工程项目管理有限公司，广东 东莞 523000)

0 前言

水利工程的大坝主要用于蓄水发电、调节水量分配、防治水灾等方面，其截面形式常设计成一边直角边，另一边为斜边的形式，该种类型的截面设计形式有利于大坝既实现了节省占地和同时又起到有效蓄水工程，不影响大坝预期性能的发挥，因此在大坝工程设计中，被广泛采用。相关学者对各类型大坝的蓄水后的预期性能，开展了大量研究。邓铭江[1]采用系分析方法对附近地震活动给卡拉贝利水利工程带来的危害进行了研究。研究结果表明：枢纽所在区域地震的强度对当前大坝安全性存在高震灾害威胁，应采取适当措施对大坝进行加固处理。李磊等[2-3]对大坝的建设造成的附近地区可能的生态环境问题进行了分析。分析结果表明：下坂地水利枢纽工程的顺利修建，既能够促进区域地区的水量供应，又能够实现对相关区域生态环境的合理维护。简兴昌等[4]对亭子口大坝的混凝土修筑的过程方案进行了研究，以便工程如期交付。研究结果表明：采用碾压混凝土分层碾压并与常态混凝土相结合铺筑混凝土坝基有利于工程节点的顺利完工。尚泽宇等[5，6]通过现场实测大坝渗漏情况，对治理后的大坝渗漏水情况进行了分析讨论。结果表明：对运营中的大坝横缝进行化学灌浆能够有效防治大坝横缝渗漏。黄扬一等[7]对高海拔条件下混凝土施工的方法和施工效果进行了研究。研究结果表明：高海拔地区如西藏旁多水利枢纽大坝类的大体积混凝土的加工及施工，主要应从源头问题进行处理，以解决浇筑后的混凝土易出现体积膨胀的现象。王琳等[8-9]对各类防渗措施综合运用条件下小浪底大坝的渗漏状况进行了研究。研究结果表明：围堰及围堰前的天然铺盖、围堰内铺盖等多种防水措施的综合防水体系的构成，使得大坝在10余年中未发生渗流现象，为类似工程大坝的防渗措施选择提供了帮助。李志坚等[10-11]研究了皂市大坝工程的施工特点。研究结果表明：通过监理制度中多种综合措施的联合实施，有效应对和解决了大坝施工工期紧、强度高、地质条件艰难等各项难题。

上述对大坝施工中的各类问题及运营中的渗漏问题进行了大量研究，表明学者们对坝体施工质量的保证和施工后大坝的安全运营十分关切，这也是大坝的修筑目的得以实现的保证，此外，大坝的截面形式的选择对大坝的安全稳定同样重要。本文依托江苏省常熟市的一个大坝工程进行了峰值蓄水水位条件下的大坝截面形式研究，采用Flac3D软件对一端为直角边，一端为变坡度截面形式的大坝性能进行了研究。

1 工程概况

该实体水利工程大坝，位于我国广东省东莞市，大坝为重力式混凝土大坝，一端为直角边，一端为变坡度截面设计，该大坝的修建对于东莞市际范围内的水量配给有重要作用，大坝内水流的微观运动，对于大坝的安全稳定至为关键，大坝横断面如图1所示，大坝直角边高20 m，大坝底宽37 m；大坝采用分层铺筑施工，大坝整体由4种材料组成，从下至上主要为C50混凝土、C45混凝土、C40混凝土、C35混凝土，各层材料的物理力学性能如表1所示。

表1 材料物理力学参数

2 数值模拟

2.1 模型的建立

采用Geo-studio软件进行建模十分便捷，通过多边形建模绘制图形的方法将模型真git的外轮廓绘出，而后根据图1中所示大坝的横断面图中各层材料的高度，将建模后的大坝进行割刀切割，将整体多边形轮廓从上至下画划分成四层，通过设置材料命令的方式，增加相应的各层材料，最后完成的大坝模型图，如图2所示。

图1 实体大坝横断面图

图2 构建的大坝模型

2.2 大坝的水力分布

为了全面了解该种截面形式的大坝的防水和蓄水性能，以下将分别对大坝内的整体水压变化、大坝内的整体水力特征、大坝的水流水力特性、水流传导率特征进行分析，通过Geostudio进行计算获得结果，导出上述结果图，其中，大坝内的整体水压变化图如图3所示；大坝内的整体水力特征图，如图4所示；大坝的水流水力特性图，如图5所示；以及如图6所示，水流传导率特征图。以下将分别对这些大坝的性能图展开讨论。

2.2.1 大坝内的水压变化

为了研究大坝坝基混凝土中的具体水压变化，绘制了大坝内的水压变化云图，如图3所示。

图3 大坝等水压云图(单位：pa)

如图3所示，设计好的计算模型经过力学和渗流耦合计算后，混凝土坝基内的水压从上至下逐渐增大，最上层水压为-60 pa，从坝基右端可以看出，该水压分布区内的大坝截面占据了约1.1 m高度范围，此后经过约2 m高度逐渐增大至-40 pa的孔隙水压力，增大速度为-10 pa/m，经过该速度的增大过程，逐渐增大至0 pa位置，该位置处于距离最下端约0.2 m高度处，可见，该混凝土坝基整体达到了防止渗水的要求，同时可以看出，未来的运营期，该坝基较易出现渗漏的位置为坝基右下端位置，因此，工程设计和施工中应加强该部位的防水。

2.2.2 大坝内的水力特征

经过了耦合计算后，坝体内的水流分布矢量图，如图4所示。

图4 大坝的渗流特征图

根据图4所示，设计好的计算模型经过力学和渗流耦合计算后，水流只在混凝土坝基左侧位置处进行从上至下的渗流运动，从坝体左侧进入，又从坝体下端左侧面流出，而从坝体最下侧平行地层线，只有少量的流体向右侧渗流，至坝体右侧最下端，说明混凝土坝基整体达到了防止渗水的要求，同时可以看出，未来的运营期，该坝基较易出现渗漏的位置为坝基右下端位置，因此，工程设计和施工中应加强该部位的防水。

2.2.3 大坝的水流水力特性

由图5所示设计好的计算模型经过力学和渗流耦合计算后，混凝土坝基内的水压与体积含水量之间的关系，当体积含水量减小时，坝体内的水压也随之减小，近似成指数函数形式关系，开始减小趋势缓慢，当体积含水量为40%时，水压约为0 Kpa；当体积含水量为30%时，水压减小至-80 Kpa；当体积含水量为20%时，水压减小至-220 Kpa；减小速率逐渐增大。当体积含水量从20%降至10%时，水压从-220 Kpa迅速减小至-1 000 Kpa，呈现陡降趋势。

图5 体积含水率与水压关系图

图6 水力传导度与水压关系图

2.2.4 水流传导率特征

由图6所示设计好的计算模型经过力学和渗流耦合计算后，混凝土坝基内的水压与X方向水力传导度之间的关系，当水压约为0 Kpa时，水流在X方向的水力传导度约为1e-6m/s；当水压约为-200 Kpa时，水流在X方向的水力传导度约为5e-9m/s；当水压约为-400 Kpa时，水流在X方向的水力传导度约为6e-10m/s；当水压约为-600 Kpa时，水流在X方向的水力传导度约为1e-10m/s；减小速率逐渐增大。

3 结语

(1)混凝土坝基内的水压从上至下逐渐增大，最小水压为-60 pa，以速度为-10 pa/m逐渐增大，至0 pa位置，该位置处于距离最下端约0.2 m高度处。

(2)混凝土坝基内的水压与体积含水量之间近似成指数函数关系形式，当体积含水量为40%时，减小趋势缓慢；当体积含水量减小至20%时，减小速率逐渐增大。

(3)该混凝土坝基整体达到了防止渗水的要求，未来的运营期，该坝基较易出现渗漏的位置为坝基右下端位置，因此，工程设计和施工中应加强该部位的防水。