防渗墙对导流坝扬压力的影响研究

陈 淼

(济南市水利工程服务中心,济南 250103)

1 概 述

建立在渗透性土壤基础上的大坝,水渗透通过土壤对大坝施加扬压力,同时可能携带土壤颗粒,导致大坝坡坏侵蚀。为此,许多学者进行了相关研究。张凤芹等[1]对蒲石河电站下库大坝扬压力超限原因进行了分析,结果表明,两岸地下水高于下游水位、基岩接缝高程及基岩裂隙是导致大坝渗压系数超标的主要原因。李瑞东[2]对水库大坝局部坝基扬压力异常原因进行了分析,结果表明,坝基防渗帷幕运行异常以及坝基内部存在渗漏通道、局部强透水带是引起重新埋设测压管后扬压力测值异常的主要原因。何昆等[3]对涌潮作用下丁坝水力特性的数值模拟进行了研究,结果表明,涌潮潮头刚到达丁坝时,多表现为波浪特性;经过丁坝后,多表现为水流特性。郑永兰等[4]对台阶式溢流坝消能的水力特性和设计应用进行了研究,结果表明,通过对工程实例的分析,采用各种水力学方法进行计算,并与水工模型试验成果进行对比,得出各种计算方法的适应性及规律性。李立平等[5]对河南省宝泉抽水蓄能电站下库大坝渗流特征进行了分析,结果表明,局部裂缝会引起大坝混凝土防渗面板渗压值增大,通过对大坝加高、加厚、增设钢筋混凝土防渗面板等措施,使大坝处于正常工作状态。姚伯清等[6]对水电站水库混凝土坝防渗墙施工技术进行了研究,结果表明,施工过程中划分防渗墙施工槽段,分散水流对防渗墙体的冲刷作用;浇筑大坝防渗墙体混凝土时,设置导管将槽孔与墙体连接固定,从而实现防渗墙的稳定施工。

以上文献对大坝的水力特性和大坝渗流特性进行了研究,分析了大坝扬压力异常情况下的施工措施。本文通过建立河道导流坝数值模型,针对不同角度和不同位置的渗流墙进行研究,并对防渗墙的扬压力、上拔力及防渗墙对渗流的影响进行分析。

2 研究区概况

某市境内河道途经多个村庄,村民灌溉农田和果园均从该河道取水。在枯水季节,河水较少,无法满足农田和果园灌溉条件,拟在河道上建立拦水大坝,以便在枯水季存储满足灌溉条件的水量。由于两岸土壤均为渗透性土壤,因此河道两边的导流坝需建立防渗墙。为了防止水渗透通过土壤对大坝施加扬压力,进而对大坝造成损坏,本文建立数值模型,分析不同位置和角度的防渗墙对导流坝扬压力的影响。

3 数值模拟建立

本次研究中,设置导流坝的尺寸见图1。设置边界条件上游水头35m,下游水头25m,基础底部、右侧墙、左侧墙及导流坝底部为防渗墙,将其作为数值模拟的基础模型。本次模拟所采用的力学参数均通过实际测量可得,具体参数见表1。在模型材料特性设置方面,坝基底部基岩采用弹塑性模型;防渗墙主要材料为钢筋混凝土,采用弹性模型;模型的强度准则采用Mohr-Coulomb准则。

表1 各项参数选取

图1 导流坝横截面

本文采用Seep/w模型进行渗流有限元计算。模型建立完成后,二维元素总数为3 236个,防渗墙和坝基的渗透性见表2。

表2 大坝材料的渗透性

根据基础模型,本文设置防渗墙的10种布置位置。从导流坝上游开始,防渗墙的布置距离与大坝长度的比值(b1/b)分别为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8和0.9,防渗墙深度12m,厚度0.5m。同时,设置7个不同的角度。相对于垂直位置,设置角度(θ)分别为0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°,见图2。其中,B为导流坝长度;D为下游水头高度;b为大坝长度;b1为导流坝上游到防渗墙布置距离;d为防渗墙高度;θ为防渗墙角度;E为防渗墙布置位置。

图2 大坝几何参数的定义

4 结果与分析

4.1 防渗墙上拔力分析

为了研究不同防渗角度对渗流速率和扬压力的影响,本文从防渗墙的10个相对位置对防渗墙的上拔力进行比较,见图3。

图3 相对防渗墙位置对上拔力的影响

由图3可知,根据数值模拟结果,当相对防渗墙位置为0时,上拔力强度因子为0.35;当相对防渗墙位置为0.4时,上拔力强度因子为0.89;当相对防渗墙位置为0.6时,上拔力强度因子为1.16;当相对防渗墙位置为0.9时,上拔力强度因子为1.57。

由此可知,上拔力的最小值在大坝截流位的上游;最大值位于大坝末端,由此确定渗流墙横截面渗流将位于距离大坝29.5m的位置。因此,为了减少扬压力,截流的最佳位置在大坝的上游,即坝踵位置。根据模拟数据,该位置强度系数为0.35,相对于不使用截水墙情况下,上游截水导致上升力减小0.75。

4.2 大坝出口梯度分析

根据对防渗墙出口梯度进行数值模拟,可得防渗墙的出口梯度和未设置防渗墙模型出口梯度比率图形,见图4。

图4 相对防渗墙位置对出口梯度的影响

由图4可知,根据数值模拟结果,当防渗墙相对位置为0时,出口梯度比为0.44;当防渗墙相对位置为0.4时,梯度比为0.40;当防渗墙相对位置为0.6时,梯度比为0.34;当防渗墙相对位置为0.9时,梯度比为0.17。表明出口坡度的最小值适用于防渗墙位于大坝末端的情况;最大值适用于防渗墙位于大坝上游的情况。

由此可知,为了减小出口坡度,防渗墙的最佳位置为大坝的下游。当防渗墙相对位置离大坝上游坝踵越远,出口水力梯度比的抛物线下降幅度越大,而且所有条件下的出口坡度值均小于临界值,不会使大坝面临风险。当防渗墙相对距离为0.5时,出口坡度将快速下降。因此,当项目中出现危险的水力梯度时,可将防渗墙放置在大坝下游0.5的相对位置范围内。

4.3 防渗墙对渗流的影响分析

根据对防渗墙渗流进行数值模拟,可得防渗墙的渗流和未设置防渗墙模型渗流流量比图形,见图5。

图5 防渗墙相对位置对渗流的影响

由图5可知,根据数值模拟结果,当防渗墙相对位置为0时,渗流流量比为0.547;当防渗墙相对位置为0.4时,渗流流量比为0.573;当防渗墙相对位置为0.6时,渗流流量比为0.571;当防渗墙相对位置为0.9时,渗流流量比为0.552。

当防渗墙布置距离在0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8和0.9(b1/b)的相对位置时,各位置的渗流均处于减弱状态。在距离上游0～0.5的相对位置范围内设置防渗墙,流量曲线呈抛物线快速递增;当距离下游0.5～0.9的相对位置内,流量曲线呈抛物线快速递减。在上游或下游的相对位置设置防渗墙,将会出现最小流量值;而在坝中相对位置设置防渗墙,则会出现最大流量值[7]。

4.4 防渗墙扬压力分析

根据对防渗墙扬压力进行数值模拟,可得在不同角度条件下,防渗墙相对位置E接触点(图2)的扬压力与直角防渗墙的扬压力比较曲线,见图6。

图6 防渗墙角度对防渗墙相对位置的扬压力影响

由图6可知,根据数值模拟结果,当防渗墙设置角度为0时,防渗墙在相对位置0、0.2、0.4、0.6、0.8的扬压力百分比均为0;当防渗墙设置角度为20°时,防渗墙在相对位置0、0.2、0.4、0.6、0.8的扬压力百分比分别为21.34、26.46、32.57、40.79、54.28;当防渗墙设置角度为40°时,防渗墙在相对位置0、0.2、0.4、0.6、0.8的扬压力百分比分别为44.78、52.35、60.39、70.85、81.93;当防渗墙设置角度为60°时,防渗墙在相对位置0、0.2、0.4、0.6、0.8的扬压力百分比分别为60.72、68.25、75.64、83.86、93.49。

由此可知,在上游开始防渗墙的相对位置不变的条件下,当角度逐渐增加时,防渗墙相对位置时的扬压力将增大,防渗墙越靠近下游坝踵部位,防渗墙的角度越大,其相对位置时的扬压力越大。在角度不变的条件下,防渗墙相对位置距离越大,则离上游坝踵越远,其在相对位置时的扬压力越大。

4.5 防渗墙直角条件下总扬压力分析

根据对防渗墙扬压力进行数值模拟,可得不同角度的防渗墙在直角条件下总扬压力比较曲线,见图7。

图7 防渗墙角度对防渗墙直角位置的扬压力影响

由图7可知,根据数值模拟结果,当防渗墙设置角度为0时,防渗墙在直角条件下,相对位置0、0.2、0.4、0.6、0.8时扬压力递减百分比均为0;当防渗墙设置角度为20°时,防渗墙在直角条件下,相对位置0、0.2、0.4、0.6、0.8时扬压力递减百分比分别为13.05、7.28、4.71、2.68、1.15;当防渗墙设置角度为40°时,防渗墙在直角条件下,相对位置0、0.2、0.4、0.6、0.8时扬压力递减百分比分别为30.46、14.86、8.32、3.87、0.81;当防渗墙设置角度为60°时,防渗墙在直角条件下,相对位置0、0.2、0.4、0.6、0.8时扬压力递减百分比分别为43.61、19.8、9.85、3.72、0.1。

由此可知,在防渗墙设置靠近下游跟部条件下,当防渗墙角度相同时,总扬压力递减的百分比逐渐降低,表明跟部附近位置的总扬压力大于其它部位,这与图3相对应。在角度相同条件下,靠近大坝上游位置的总扬压力递减百分比将有更大的增量,而靠近大坝下游的位置将降低其强度。

4.6 不同角度状态下防渗墙等势线分析

根据对大坝上游跟部的防渗墙进行数值模拟,可得两种角度的防渗墙的等势曲线,见图8。

图8 防渗墙等势曲线

由图8可知,相较于直角状态,在倾斜条件下,上游跟部的等势线表现出明显的水头损失。与未设置防渗墙的等势线相比,显示出较低的扬应力。由此可知,防渗墙角度的设置为大坝提供了更多的稳定性。在图8中的观察范围内,有角度的防渗墙渗流流量将低于直角条件。

5 结 论

本文通过建立河道导流坝数值模型,对防渗墙的扬压力、上拔力及防渗墙对渗流的影响进行了分析。结论如下:

1)上拔力的最小值在大坝截流位的上游;最大值位于大坝末端。为了减少扬压力,截流的最佳位置在大坝的上游。防渗墙相对位置离大坝上游坝踵越远,出口水力梯度比下降幅度越大;所有条件下的出口坡度值均小于临界值,不会使大坝面临风险。

2)在上游或下游的相对位置设置防渗墙,将会出现最小流量;在坝中相对位置设置防渗墙,则会出现最大流量。当角度逐渐增加时,防渗墙相对位置时的扬压力越大;防渗墙越靠近下游坝踵部位,防渗墙的角度越大,其相对位置时的扬压力越大。

3)在防渗墙设置靠近下游跟部,总扬压力递减的百分比逐渐降低;靠近大坝上游位置的总扬压力,递减百分比将明显增大。