重力式混凝土坝基的数值模拟研究

刘 杨

（深圳市广汇源环境水务有限公司,广东 深圳 518100）

1 前言

三峡水利枢纽工程的兴建为我国水利工程建设提供了标准的教科书式的实体工程参考样板,也充分证明了混凝土重力坝基在类似水坝等蓄水工程中所发挥的重要作用。这一工程实例的长期稳定存在,促进了研究人员对混凝土坝基的进一步广泛深入研究,许多研究人员对重力坝开展了具有工程实际意义的研究,温立峰等[1]对混凝土形式的防渗墙对坝基渗流的控制作用特点,通过统计分析的方法进行了研究,研究结果表明：混凝土形式的防渗墙在众多的透水坝基中的防渗效果明显,对可压缩坝基的防渗效果也较为显著。李树武等[2]对混凝土坝基在长期不利的地下水环境的侵蚀作用下的力学性质变化特点进行了研究,研究结果表明：混凝土力学性质对大坝安全稳定构成直接重要影响,在此类不利的水环境下,应对坝基混凝土进行长期规律性的检测。陈会芳等[3]通过仿真模拟手段对溪洛渡水电站的大体积混凝土置换大量强风化带时的混凝土内的温度场、应力场变化进行了研究,仿真模拟结果表明：通过采取适当的温控措施能够实现有效改善由大体积混凝土带来的应力状态不佳导致的裂纹大量呈现问题。朱伯芳等[4]通过理论分析的方法研究了允许温差对混凝土坝力学性质的影响。理论分析结果表明：不同形式的温差是影响坝基力学性能最重要的指标,正台阶形的由于其他类型的温差形式,施工过程中应促进此类温差形式的出现。余波等[5]通过采用多种方法糅合的综合分析手段,重力式中的坝基防渗结构体的老化问题进行了指标表征研究。研究结果表明：指示防渗结构体老化的指标有3 个：第一个为析钙量、第二个为TDS 值、第二个为pH 值,这三个指标都可以用来指示防渗帷幕的老化机制。

由于混凝土坝基的独特优势,即刚度大、抗变形能力强,强度较高,因此,在水坝等水利工程中的应用十分普遍。然而,对于混凝土坝体中水流的渗透特点和坝体内水流的水力特征研究较少,本文通过一实体坝基工程研究蓄水水位条件下,坝基承载力和渗流特性的特点。

2 工程概况

该实体水坝设计剖面见图1,构成水坝的材料主要是混凝土,而混凝土强度为C50 标准,由砂土、水泥、和石子混合搅拌而成,同时添加一定量缓凝剂,以免运输过程中出现粘度过大不易搅出的现象,砂土为就近取材的河沙,石子就地取材的石子,水泥采用同力水泥,标号为42.5,砂土、水泥、和石子及混凝土材料的物理力学参数见表1。

表1 岩土体物理力学参数

图1 坝基横剖面图

3 数值模拟

3.1 模型的建立

按照实体坝基横剖面图在Geostudio 软件的seep/w 模块构建计算用坝基模型,首先建立坐标轴,帮助对坝基坡度设置的点的定位,随后,采用绘制多边形的方法构建坝基轮廓,再根据表1 中的材料物理力学参数设置相应的材料,这一步主要通过输入材料命令来建立,完成后,通过将材料赋给相应的区域,实现坝基的建模,而后建立各个边界的力学和位移边界条件,设置水位面,完成后进行计算。

根据坝基设计的混凝土参数,该坝基采用C50标号砼施工,坝基创建完成后见图2,混凝土加工采用集中搅拌站加工,施工方法为从下至上的顺层碾压方法,单层碾压厚度为0.15 m 厚,通过这种由下至上的碾压施工,最后施工完成后的坝基截面和数值模拟中用的计算模型一致,为梯形形式的混凝土水坝,截面自身惯性矩（IY 和IZ）为7.89×109m4,底宽22 m,顶宽6 m,坝基高12 m。

图2 数值计算用坝基模型

3.2 土条应力及强度

经过计算,结果输出图见图3,图中所示的水力流线（红色箭头）是实际放大了50 倍的效果。X 方向水力传导度随着基质吸力的变化过程见图4。

图3 数值模拟结果图

根据图3 给出的数值计算结果,前文已提及,水力流线结果图是经过放大处理后呈现的状态,实际的水力流线极小,如果用实际的水力流线,而不进行放大,图中坝体内的将呈现为点状,只有最右下角的流线能够看出长度和箭头,由此可见,该设计混凝土坝基工程在设计蓄水水位下十分稳定,且有效阻隔了水流的重力运动,起到了工程蓄水效果。水力流线结果说明只有在右侧最下端位置处才有渗流失稳的可能性存在,且该可能性极小。

由图4 所示X 方向的水力传导度随着坝体中的基质吸力变化特征曲线可知,随着基质吸力的增大,水力传导度逐渐降低,最开始降低缓慢,经过一定值后降低越来越快,曲线的斜率也逐渐由小增大,水力传导度最大值为9.1×10-6m/s,最小值约为1.0×10-9m/s,坝基混凝土基质吸力的最大值约为100 kPa。

由图3 和图4 可以看出,该蓄水水利工程设计坝基形式合理,采用该坝基,水库中的水能够有效保持,同时坝基能够长期稳定。

4 结论

通过对该实体蓄水水利工程混凝土设计坝基的计算和水力求解,主要获得以下结论：

（1）坝基有效阻隔了水库内水流的重力运动,只有在坝基右侧最下端位置处才有渗流失稳的可能性存在,且该失稳可能性极小。

（2）X 方向的水力传导度随着坝体中的基质吸力增大逐渐降低,最开始降低缓慢,随后逐渐增大。

（3）该混凝土坝基设计形式合理,采用该坝基,将使该蓄水工程水库中能够有效保持正常的水位状态。