高瀝青混凝土心墻壩在局部損傷開裂情況下的滲流特性分析

劉文龍

(吉安市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江西 吉安 343000)

瀝青混凝土心墻壩在施工過程中處理不當(dāng)或者經(jīng)長期運(yùn)行后壩體不均勻沉降等問題，將導(dǎo)致大壩心墻局部產(chǎn)生裂縫，這些裂縫影響大壩的整體穩(wěn)定性，甚至?xí)斐蓧误w滲漏、壩坡失穩(wěn)甚至潰壩等嚴(yán)重后果。因此，對(duì)心墻局部裂縫情況下的滲流特性進(jìn)行分析[1-4]十分必要。

楊燦等結(jié)合某高瀝青心墻土石壩工程，構(gòu)建了滲流水位、溫度、降雨以及時(shí)效因子之間的統(tǒng)計(jì)回歸模型，且被證明是合理可行的[5]；寇甲兵[6]、陳松[7]等利用ANSYS數(shù)值分析軟件對(duì)瀝青混凝土心墻壩的滲流特性進(jìn)行分析，主要研究水位變化對(duì)滲流特性的影響情況；葉發(fā)文[8]、肖亞子[9]等對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的心墻壩變形穩(wěn)定性進(jìn)行了分析；周勁松進(jìn)行了心墻局部裂縫影響下的壩體滲流場(chǎng)演化特征分析，發(fā)現(xiàn)心墻中的裂縫位置距離壩基越近時(shí),對(duì)壩體的整體滲流穩(wěn)定性越不利[10]。

高瀝青混凝土心墻壩將是今后建壩的一個(gè)新趨勢(shì)，在高水頭以及裂縫影響下，壩體的滲流量、水力坡降以及滲流流速等水力因素均會(huì)發(fā)生不同程度的改變。針對(duì)這方面系統(tǒng)研究還比較少，故本文在總結(jié)前人研究理論基礎(chǔ)上，開展高瀝青混凝土心墻壩在局部開裂情況下的滲流特性分析。

1 模擬分析方案

1.1 模型建立

瀝青混凝土心墻壩模型高125 m，上下游壩坡坡比均為1∶2，防滲體系包括瀝青混凝土心墻和帷幕灌漿，壩體材料包括主堆石體、下游堆石體、過渡料和排水棱體。利用SEEP-3D模擬計(jì)算分析軟件，采用六面體網(wǎng)格劃分法，模型的X軸范圍為(-25 m,25 m)、Y軸范圍為(1 072 m,1 347 m)、Z軸范圍為(-484.25 m，462.5 m)，將模型劃分為154 925個(gè)單元體共計(jì)165 388個(gè)節(jié)點(diǎn)，見圖1。

圖1 數(shù)值模型網(wǎng)格劃分圖

1.2 計(jì)算工況說明

本次分析計(jì)算共涉及兩百多種工況，主要情況為：①5種裂縫寬度(10、20、30、40和50 mm)；②3種心墻裂縫縫長(2、4和6 m)；③1-5號(hào)裂縫位置(1號(hào)縫自壩基向上100 m起、2號(hào)縫自壩基向上75 m起、3號(hào)縫自壩基向上50 m起、4號(hào)縫自壩基向上25 m起、5號(hào)縫為自壩基起)。按照正交試驗(yàn)法，對(duì)所有工況進(jìn)行了模擬分析，并對(duì)4號(hào)裂縫單獨(dú)進(jìn)行不同水頭作用和材料滲透系數(shù)下的滲流特性分析。各材料的計(jì)算參數(shù)具體取值情況見表1。

表1 各材料的計(jì)算參數(shù)取值

1.3 計(jì)算模型

由于無縫瀝青混凝土心墻的滲透系數(shù)很小，其滲透系數(shù)值小于1E-10 m/s量級(jí)，因此當(dāng)局部裂縫出現(xiàn)之后，沿同個(gè)方向的裂縫寬度基本上是沒有變化的，故而仍可以借助多孔介質(zhì)的滲流理論，即裂縫處單位寬度的滲流量可以用如下公式表示：

(1)

式中：b為裂縫寬度；v為運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)；vb為裂縫處的滲流速度；J為裂縫處水力坡降；g為重力加速度。

2 分析結(jié)果

2.1 局部裂縫位置對(duì)滲流量的影響

不同裂縫在壩體不同位置時(shí)的滲流量關(guān)系曲線見圖2。從圖2中可以看到，當(dāng)裂縫寬度一定時(shí)，隨著裂縫位置從壩基往壩頂方向轉(zhuǎn)移，裂縫處的滲流量逐漸呈線性降低。這是因?yàn)樾膲α芽p所處位置越低，所承受的壓力水頭越高，根據(jù)達(dá)西定律，當(dāng)滲流流徑不變時(shí)，流量會(huì)隨著水頭的增大而增大，因此裂縫越往下，滲流量越大。

圖2 裂縫位置對(duì)滲流量影響

2.2 局部裂縫縫寬對(duì)滲流量的影響

當(dāng)裂縫長度一定時(shí)，縫寬對(duì)滲流量的影響見圖3。從圖3中可以看到，位置和長度一定時(shí)，隨著縫寬的增加，滲流量呈線性增加；以壩基起100 m處裂縫為例，在縫寬分別為10、20、30、40和50 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的滲流量分別為11、17、23、28和34 mm。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合分析，可得到增加單位裂縫寬度時(shí)，滲流量會(huì)相應(yīng)增加0.57(即滲流量梯度增加)。同理分析得到自壩基起、自壩基向上25 m起、自壩基向上50 m起、自壩基向上75 m起處裂縫的滲流量梯度分別為1.43、1.1、0.93以及0.74，滲流量梯度隨著位置的降低呈線性減低趨勢(shì)。

圖3 縫寬對(duì)滲流量影響

2.3 局部裂縫長度對(duì)滲流量的影響

縫寬一定時(shí)，隨著縫長的增加，裂縫處的滲流量基本也呈線性增長，見圖4(a)。當(dāng)裂縫的長度大于80 m后，滲流量的增長幅度有所減緩；當(dāng)裂縫從壩基開始全部開裂時(shí)(1-5號(hào)裂縫均存在)，滲流量隨縫寬的增加呈冪函數(shù)型性略微增加，增長幅度較小，見圖4(b)；裂縫在寬度上增加一倍時(shí)，對(duì)應(yīng)的滲流量的增加量小于裂縫在長度上增加一倍滲流增加量小，表明縫長是影響滲流場(chǎng)的主要因素，而縫寬并不是影響滲流場(chǎng)的主要因素。這是因?yàn)榱芽p在向?qū)挾壬习l(fā)展的時(shí)候，其影響范圍增幅較小，當(dāng)在長度上發(fā)展的時(shí)候，影響范圍的增幅量較大，雖然增加長度會(huì)降低壓力水頭，但由于影響范圍增幅值較大，因此導(dǎo)致滲流量發(fā)生較大變化。

圖4 縫長對(duì)滲流量的影響

2.4 堆石體與過渡料滲透系數(shù)變化對(duì)滲流量影響

當(dāng)僅4號(hào)縫開裂時(shí)，分別對(duì)堆石體以及過渡料的滲透系數(shù)進(jìn)行改變，得到滲流量與不同材料滲透系數(shù)變化的相關(guān)關(guān)系，見圖5。從圖5中可以看到，隨著堆石體滲透系數(shù)的增大，心墻裂縫處的滲流量也逐漸增大，增幅情況與縫寬變化情況類似，即增幅在逐漸減小，滲透系數(shù)越大，因縫寬差異帶來的滲流量的差值反而越小。隨著過渡料滲透系數(shù)的增大，其滲流量的變化特征與堆石體相比存在明顯差異，裂縫處滲流量隨滲透系數(shù)增大呈指數(shù)型函數(shù)增長。當(dāng)過渡料滲透系數(shù)小于0.001 m/s時(shí)，增長幅度較緩；當(dāng)滲透系數(shù)大于0.001 m/s后，增長幅度較大。相較于堆石體滲透系數(shù)，過渡料的滲透系數(shù)是影響滲流場(chǎng)的一個(gè)主要敏感因素之一，當(dāng)瀝青混凝土心墻產(chǎn)生裂縫過后，過渡料的材料性質(zhì)對(duì)滲流量起著決定性作用。

圖5 材料滲透系數(shù)變化對(duì)滲流量的影響

3 結(jié) 論

1) 心墻裂縫位置越低，滲流量越大，并隨高程增加呈線性遞減趨勢(shì)；隨著縫寬的增加，裂縫處滲流量呈線性增長，滲流量梯度隨著位置的降低呈線性減低趨勢(shì)。

2) 裂縫越長，滲流量越大，且增長幅度較大，相較于縫寬而言，縫長是影響滲流量的主要因素。

3) 堆石體材料滲透系數(shù)越大，裂縫處的滲流量越大，且呈線性關(guān)系；滲流量隨過渡料滲透系數(shù)的增加呈指數(shù)型函數(shù)增長，過渡料滲透系數(shù)對(duì)心墻裂縫的滲流量起著關(guān)鍵性作用。