土石壩放水涵管在不同工況下的滲流分析

王亞輝

(北票市龍?zhí)端畮旃芾硖?，遼寧 北票 122124)

土石壩在實際工程中的應用非常廣泛，它具有施工簡便、工程造價低、可就地取材等很多優(yōu)點，隨著土石壩的普遍應用，在工程建設方面占據(jù)著很重要的地位。壩下涵管由于位置較為隱蔽，常造成突發(fā)性災害，且搶險難度較大，涵管問題的出現(xiàn)主要是由設計、施工和管理等原因造成的。

在20世紀的50—70年代，我國處在大力發(fā)展工程建設的階段，由于缺少精準的設計圖紙和專業(yè)的施工隊伍，使工程整體質(zhì)量降低，壩內(nèi)涵管出現(xiàn)了很多的滲漏問題。近年來在很多新建的土石壩中也出現(xiàn)了壩下涵管滲漏的現(xiàn)象，而壩下涵管的防滲又關系到土石壩的整體穩(wěn)定，可知壩下涵管的滲漏問題在土石壩中仍然是急需解決的問題[1-6]。

1 基于ABAQUS滲流分析方法在土石壩中的應用

1.1 工程概況及計算模型

1.1.1 工程概況

本論文研究的土石壩，主河道長度為0.71km，流域面積0.288km2，壩頂高程為83.7m。壩址含有淤泥質(zhì)黏土、壤土、黏土和細沙，是一個綜合性質(zhì)的小型水利工程，同時具有灌溉、防洪和養(yǎng)殖的作用，設計灌溉耕地面積為800畝。

1.1.2 計算模型

(1)模型材料參數(shù)。主要研究壩下涵管截水環(huán)在不同位置時滲流場的變化規(guī)律。選取Mohr-Coulomb模型，埋管采用的是線彈性模型，所需的模型參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗獲取，計算模型材料參數(shù)見表1。

表1 計算模型材料參數(shù)

(2)計算工況分3種。①涵管無截水環(huán)布置；②涵管有兩個截水環(huán)，截水環(huán)不與斜墻交接；③涵管有兩個截水環(huán)，任一截水環(huán)與斜墻交接。

1.2 不同工況條件下的滲流分析

大壩類型為黏土斜墻土石壩，如圖1所示。大壩具體參數(shù)如圖中所示，為了研究壩下涵管周圍滲流場的滲流情況，建立了壩體與截水環(huán)滲流的模型。

圖1 土石壩橫斷面圖

1.2.1 涵管不設截水環(huán)壩體滲流分析

本文使用ABAQUS有限元軟件對涵管滲流進行模擬分析，考慮到壩體岸坡的非重要性和軟件運算效率的問題，只對壩體本身和地基層進行了有限元模擬，得到的孔隙水壓力云圖如圖2所示。

圖2 滲流孔隙水壓力云圖

因為壩下涵管和壩體土料之間的接觸為土體和剛體接觸，所以在該接觸面位置很容易產(chǎn)生集中滲流出口，因此在分析中我們應該著重關注涵管周圍土體的滲流流速、滲流孔壓和滲透比降等變量。現(xiàn)將涵管頂部的中心線從上游到下游為路徑，周圍土體的孔隙水壓力如圖3所示。

圖3 涵管頂部土體孔隙水壓力變化圖

由圖3可以看出，涵管周圍土體的孔隙水壓力總體上呈現(xiàn)從上游至下游逐漸減小的趨勢。

又針對涵管頂部的滲流流速，將涵管頂部中心線位置處從上游至下游的位置處的滲流流速如圖4所示。

由達西定律可知，土體的滲透流速和滲透比降呈正比例的關系，可得土體的滲透坡降為。所以土體的滲透坡降和滲流流速有很大的關系，可得宦官頂部的土體滲透坡降如圖5所示。

圖4 涵管頂部滲流流速變化圖

圖5 涵管頂部土體滲透坡降變化圖

從圖4能夠看出，涵管頂部位置的滲流流速總體上呈現(xiàn)增大的趨勢，但是其增大的趨勢并不是一成不變的，增大的速率在一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，接著速率發(fā)生變化，土體的滲流速度在下游的末端達到最大值。從圖5得出，涵管頂部的土體滲透坡降符合“上截下排”的規(guī)律，總體上呈現(xiàn)從上游至下游逐漸增大的趨勢，在出水口的位置滲透坡降達到最大值，所以在下游位置為了防止?jié)B透破壞常常布置反濾層。

1.2.2 兩截水環(huán)與斜墻均無交接時滲流場分析

根據(jù)達西定律可得，涵管頂部的土體滲透坡降如圖6所示。

圖6 斜墻交接處無截水環(huán)時涵管頂部滲透坡降曲線圖

如圖6所示，滲透坡降在截水環(huán)處出現(xiàn)較大的波動，涵管周圍土體在坡降變化方面總體上呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，并且，在25m涵管下游的部分，土體的滲透坡降速率明顯增大。

大壩壩體內(nèi)共布置14根涵管(每根涵管3米)。考慮到了大壩上游的壩坡比為1∶2.5，于是從防滲體外第一根涵管處開始布置截水環(huán)(數(shù)量為2個)，布置在涵節(jié)中間。涵管頂部土體從上游至下游滲流流速如圖7所示。可知涵管周圍的土體在涵管頂部中心線從上游至下游總體上呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，這能說明為了防止集中滲流現(xiàn)象的發(fā)生，在涵管周圍采取適當?shù)拇胧┦呛苡斜匾摹?/p>

在涵管方向上，增加涵管的截水環(huán)數(shù)量，從第3根涵管開始，將截水環(huán)布置在涵管的中間，涵管頂部土體中的孔隙水壓力圖如圖8所示?？芍贾昧私厮h(huán)的涵管，其周圍的土體的滲流孔壓在涵管頂部中心位置處從上游至下游總體上呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。

1.2.3 任一截水環(huán)與黏土斜墻交接時滲流場分析

為了更好的分析交接處截水環(huán)對滲流場的影響，決定將兩個截水環(huán)中的一個布置在斜墻和涵管的交接位置處。為了能夠更好的比較交接處截水環(huán)的作用，得到任一截水環(huán)與黏土斜墻交接時的滲流流速如圖7所示。

圖7 任一截水環(huán)與黏土斜墻交接時涵管頂部滲流流速對比圖

圖7中，系列1代表斜墻與涵管交接處沒有截水環(huán)時涵管頂部的滲流速度，系列2代表的是斜墻與涵管交接處布置截水環(huán)時涵管頂部的滲流速度。圖中可以看出，兩個曲線的變化規(guī)律總體上呈現(xiàn)相似的規(guī)律，在截水環(huán)的位置處滲流流速都出現(xiàn)了明顯的變化，截水環(huán)的布置，能夠減小滲流的速度，并且在下游的部位布置截水環(huán)對壩體的整體穩(wěn)定起到一定的作用。

將增加截水環(huán)前后的孔壓數(shù)據(jù)繪制成曲線圖，如圖8所示。

圖8 任一截水環(huán)與黏土斜墻交接時涵管頂部滲流孔壓

圖8中，系列1代表的是斜墻與涵管交接處沒有截水環(huán)時的孔壓變化，系列2代表的是斜墻與涵管交接處布置截水環(huán)時的孔壓變化；從圖中可以很明顯的看出，系列1和系列2相似程度很好，基本上達到重合的效果，可見在斜墻與涵管交接處布置截水環(huán)對涵管周圍土體的孔壓幾乎不產(chǎn)生影響。

斜墻與涵管交接處布置截水環(huán)前后涵管周圍土體的滲透坡降圖如圖9所示。

圖9 斜墻交接處有截水環(huán)時涵管頂部滲透坡降曲線對比

由圖9中可以看出，在斜墻與涵管的交接處布置截水環(huán)，使得滲透坡降明顯降低，在截水環(huán)的位置滲透坡降都出現(xiàn)了明顯的波動，可知在斜墻與涵管的交接處布置截水環(huán)對滲透坡降有很好的效果。

1.3 三種工況下滲流場分析對比

本文主要針對壩下涵管周圍土體滲流場的滲流速度、孔壓和滲透坡降三方面進行研究，將涵管無截水環(huán)、有兩截水環(huán)不與斜墻交接和任一截水環(huán)與斜墻交接的3種工況進行分析，得出滲流流速、孔壓和滲透坡降的規(guī)律如圖10—12所示。

圖10 不同工況時滲流流速

圖11 不同工況時孔隙水壓力

圖10—12中，系列1代表涵管無截水環(huán)的工況，系列2代表有兩個截水環(huán)但是截水環(huán)不與斜墻交接的工況，系列3代表任一截水環(huán)與斜墻交接工況。從3個圖中可以看出：在斜墻交接位置布置截水環(huán)能夠使?jié)B流場更加穩(wěn)定，有利于壩體的整體穩(wěn)定；截水環(huán)對涵管周圍土體中的孔隙水壓力基本上不產(chǎn)生任何影響；截水環(huán)對涵管周圍土體的滲透坡降起到一定的作用，并且周圍土體的滲透坡降呈現(xiàn)的規(guī)律變化與滲流流速基本一致。

2 結語

本文利用有限元軟件ABAQUS，研究壩下涵管處有無截水環(huán)和截水環(huán)不同位置處對涵管周圍土體的滲流影響，主要研究內(nèi)容如下：

圖12 不同工況時滲透坡降

(1)本文基于涵管無截水環(huán)、涵管有兩個截水環(huán)但是不與斜墻交接和兩個截水環(huán)中任一個截水環(huán)與斜墻交接3種工況，對3種工況下的滲流速度、孔壓和滲流坡降3個指標在涵管周圍土體的變化。

(2)比較3個指標對3種工況下防滲效果的影響程度，提出了應該在涵管與斜墻的交界處布置截水環(huán)的建議，對實際工程提供理論依據(jù)。