碾压式混凝土重力坝蓄水防渗性能研究

陈辉忠

(广东城华工程咨询有限公司，广东 广州 510710)

1 工程概况

某碾压式混凝土重力坝设计坝高为46 m，正常蓄水深度为32 m，采用碾压式混凝土材料进行施工，坝底宽为52 m，其中坝趾宽8 m，坝趾高15 m。大坝工程的实体尺寸如图1所示。坝顶宽为14 m，坝坡设计为57°，坝底高8 m。大坝所采用的混凝土基本物理力学参数及水力特性参数如表1所示。

表1 混凝土力学和水力参数

图1 拟建的大坝尺寸(单位：m)

2 数值模型建立

SEEP模块为GEOSTUDIO软件中用于大坝及水力学计算的模块，打开该模块后，按照图1中设计的大坝截面尺寸采用绘制区域的命令进行数值模拟计算所用坝体模型的构建。具体过程为：启动绘制区域命令，根据图1中的实体尺寸对坝体和坝基区域进行绘制，然后启动输入材料命令对材料进行水力学和力学参数的设计，并将设计好的材料赋值给相应的区域，最后设计边界条件并进行网格划分[1-3]。构建完成后的数值计算模型大坝如图2所示。

图2 计算模型(单位：m)

边界条件设置：坝体左侧为蓄水侧，即上游侧，设计水头高度为32 m，右侧为下游侧，设计水头高度为25 m，设计好边界条件后，进行分析计算。

3 计算结果分析

为了分析该大坝采用混凝土材料修建及采用上述图1中的截面形式的合理性，利用数值计算GEOSTUDIO软件的SEEP模块中对各项水力图形的输出功能，选择相应的计算参数进行图形输出和绘制，输出了高质量的坝基内不同位置处的渗流路径分布特征图见图3；坝基内不同位置处的渗流矢量分布特征图见图4；坝基内不同位置处的孔隙水压分布特征图见图5；坝基内不同位置处的总水头分布特征等值线变化图见图6；坝基内不同位置处的压力水头分布特征等值线变化图见图7；分别对大坝在蓄水后坝体内坝基内不同位置处的各项水力学参数进行了研究。

图3 渗流路径变化

图4 渗流矢量变化

图5 水压随深度的变化

图6 总水头分布等值线

图7 坝基内压力水头变化

(1)渗流路线。图3可知，不同位置处的坝基基岩内渗流路线表现出绕着坝体而形成渗流路径的特点，在坝体附近绕着坝体渗流路径逐渐延伸变化，随着深度增加，渗流路线变化为先垂直向下，后过渡为水平向下游渗流，最后垂直向上，这与实际理论相符，说明坝体起到了良好的防渗效果。

(2)渗流矢量。图4可知，坝基内的渗流矢量总体呈现为随着蓄水深度的增加，渗流矢量在取值上逐渐减小，在方向上呈现出上部环绕坝体变化，下部上游垂直向下，坝体部分为水平向右，下游侧为水平向上，这与渗流路线和实际情况均相符；同时可以看出，同一高度的渗流矢量自上游向下游在数值上逐渐减小，因此，坝体发挥了良好的抗渗作用。

(3)孔隙水压。图5可知，上游侧坝基内的水压在坝基顶面位置处为191～216 kPa，随着坝基位置逐渐向下，水压逐渐增大，上游侧坝基底面位置处的水压为287～311 kPa，下游侧坝基内的水压在坝基顶面位置处为47～72 kPa，随着坝基位置逐渐向下，水压逐渐增大，下游侧最下部位置处的水压为239～263 kPa，可见坝体的设置有效减小了坝基内的水压。

(4)总水头。图6可知，上游侧坝基内的总水头在库底面位置处为32 m，下游侧坝基内的总水头在库底面位置处为25 m，这些值与经典理论水力学的结果一致，随着坝基自上游向下游位置的不断过渡，总水头逐渐减小，在坝趾位置处的减小速率大，中部坝体底部位置处变化缓慢且速度均匀，至接近下游侧水位底部位置处水头迅速减小为25 m，过渡区较窄。

(5)压力水头。图7可知，上游侧坝基内的压力水头在库底面位置处为18.3～19.8 m，下游侧坝基内的压力水头在库底面位置处为6.1～7.6 m，上游侧库底位置处的压力水头约为32.0 m，下游侧坝基最下部位置处的压力水头约为25.0 m，上游和下游侧压力水头均随着深度的增大而逐渐增大。

4 结 论

(1)上游侧坝基内的水压在坝基顶面位置处为191～216 kPa，下游侧坝基内的水压在坝基顶面位置处为47～72 kPa，随着坝基位置逐渐向下，水压逐渐增大，下游侧坝基最下部位置处的水压为239～263 kPa。

(2)上游侧坝基内的压力水头在库底面位置处为18.3～19.8 m，下游侧坝基内的压力水头在库底面位置处为6.1～7.6 m。

(3)坝基内的渗流矢量和渗流流线总体变化趋势一致，混凝土重力坝断面设计形式和坝体材料选择合理。