高標(biāo)準(zhǔn)免管護新型淤地壩壩身過流安全性研究

張金良 宋志宇 李瀟旋 蓋永崗

摘 要：高標(biāo)準(zhǔn)免管護淤地壩可避免傳統(tǒng)淤地壩存在的洪水漫頂潰壩風(fēng)險高、管護壓力大、攔沙不充分等問題。為了給高標(biāo)準(zhǔn)免管護新型淤地壩技術(shù)的優(yōu)化改進和推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)，基于高標(biāo)準(zhǔn)免管護淤地壩原型漫頂過流沖刷試驗，采用ABAQUS有限元軟件和地質(zhì)雷達探測技術(shù)，對其結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形及滑移脫空情況進行分析，結(jié)果表明：高標(biāo)準(zhǔn)免管護淤地壩在洪水漫頂、壩身過流情況下，壩體產(chǎn)生的增量位移較小，對壩體的穩(wěn)定性、安全性不會產(chǎn)生大的影響;泄流結(jié)構(gòu)（溢洪道）不會產(chǎn)生超過黃土固化新材料強度的拉、壓應(yīng)力，結(jié)構(gòu)強度滿足泄流要求;泄流結(jié)構(gòu)和大壩之間不會產(chǎn)生大的相對滑移和脫空，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：淤地壩;防沖刷保護層;洪水漫頂;有限元分析;應(yīng)力;變形

中圖分類號：S157.3+1;TV641.2+3

文獻標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.12.001

引用格式：張金良，宋志宇，李瀟旋，等.高標(biāo)準(zhǔn)免管護新型淤地壩壩身過流安全性研究[J].人民黃河，2021，43（12）：1-4，17.

Abstract： High-standard and free management new warping dam can avoid the existing problems of traditional warping dam such as high risk of collapse， high pressure of management and maintenance， and insufficient sand containment. In order to provide a theoretical basis for the optimization， improvement and popularization of the high-standard and free management new warping dam， based on the overtopping and overflowing scouring test， the ABAQUS finite element software and geological radar detection technology were used to analyze the structural stress， deformation and slip cavitation. The results show that the increment displacement of the dam body is small under the condition of the flood overflows， and the stability and safety of the dam body will not be greatly affected. The discharge structure （spillway） will not produce tensile and compressive stress exceeding the strength of loess solidification new materials， and the structural strength can meet the discharge requirements. There is no large relative slip or cavitation between the discharge structure and the dam， and the structure is stable and reliable.

Key words： warping dam; scour protection; overtopping flood; finite element analyses; stress; displacement

黃土高原是黃河泥沙的主要來源區(qū)[1]，淤地壩是黃土高原地區(qū)重要的水土保持措施之一[2-3]。早期建設(shè)的淤地壩設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)較低[4-6]，受制于均質(zhì)土壩壩身不能過流等，存在潰決風(fēng)險高、管護壓力大、攔沙不充分等問題[7-9]。針對傳統(tǒng)淤地壩存在的問題，王博[10]在其設(shè)計施工管理、減沙機理、淤積程度等方面進行了分析，惠波等[11]對黃土高原地區(qū)淤地壩淤滿情況進行了分析，鄭寶明等[12]開展了淤地壩設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)、工程結(jié)構(gòu)、最優(yōu)壩體斷面等方面的研究，劉曉燕等[13]基于實測數(shù)據(jù)分析了淤地壩攔沙作用的時效性，李勉等[14]研究了淤地壩在次洪水淤積過程中泥沙的再分布特征。近年來，隨著傳統(tǒng)淤地壩病險問題日趨嚴重，有關(guān)淤地壩的創(chuàng)新研究逐漸深入，如陳祖煜團隊[15]研發(fā)了一種新型復(fù)合PET材料以及柔性溢洪道布置形式、王亮等[16]提出了淤地壩蓄水加固改造方案、黨維勤等[9]基于對病險壩在暴雨洪水情況下的連續(xù)觀測研究了淤地壩水毀機理，但均沒有解決洪水漫頂潰壩的難題。張金良等[17]基于小流域水文計算新方法、淤地壩新壩型結(jié)構(gòu)、黃土固化新材料、設(shè)計施工新技術(shù)等，創(chuàng)新性地構(gòu)建了高標(biāo)準(zhǔn)免管護淤地壩理論技術(shù)體系，目前該技術(shù)體系已在陜西、內(nèi)蒙古等?。▍^(qū)）得到應(yīng)用。本研究基于高標(biāo)準(zhǔn)免管護淤地壩原型漫頂過流沖刷試驗，采用ABAQUS有限元軟件和地質(zhì)雷達探測技術(shù)，對其結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形及滑移脫空情況進行分析，以期為高標(biāo)準(zhǔn)免管護新型淤地壩技術(shù)的優(yōu)化改進和推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 高標(biāo)準(zhǔn)免管護新型淤地壩基本原理

（1）新型淤地壩結(jié)構(gòu)。高標(biāo)準(zhǔn)免管護新型淤地壩結(jié)構(gòu)見圖1，其創(chuàng)新了壩工結(jié)構(gòu)設(shè)計理念，通過在傳統(tǒng)淤地壩壩體上設(shè)置高強度防沖刷保護層，從而實現(xiàn)壩頂溢流運用且防潰決、免管護、多攔沙。

（2）黃土固化新材料。黃土高原地區(qū)存在大量的黃土，采用張金良等[17]研制的黃土固化劑可對當(dāng)?shù)刂吸S土進行固化，在固化劑摻量為30%的情況下，黃土固化新材料28 d無側(cè)限抗壓強度可達11 MPa，間接拉伸強度為1.1 MPa，首次吸水后的吸水率隨齡期延長變化不大，30次凍融循環(huán)后強度損失率為23.3%，具有較好的耐久性和抗沖刷性能，可以滿足新型淤地壩過流沖刷防護要求，并能降低建設(shè)成本。

（3）設(shè)計施工新技術(shù)。黃土固化新材料可用于舊壩改造和新壩建設(shè)，根據(jù)實際工程施工需要，可采用防沖刷保護層全覆蓋、防沖刷保護層局部覆蓋、預(yù)制臺階式聯(lián)鎖塊全覆蓋等3種施工方式，詳見文獻[17]。

2 新型淤地壩原型試驗及結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形分析

2.1 新型淤地壩原型試驗概況

為了充分驗證高標(biāo)準(zhǔn)免管護新型淤地壩技術(shù)可行性及新型壩工結(jié)構(gòu)的安全性，在黃河水土保持西峰治理監(jiān)督局南小河溝水土保持試驗場建設(shè)了原型試驗壩，其位于花果山水庫左岸，壩長70 m，壩高約15 m，下游坡比約11.7，是對現(xiàn)有壩下游壩坡進行改造而成的新型壩（溢洪道），見圖2。過流坡面和消力池均通過碾壓鋪設(shè)厚度約1.5 m的保護層（即黃土固化新材料），壩頂澆筑1 m厚的混凝土用于支撐液壓翻板，溢洪道兩側(cè)邊墻為磚砌結(jié)構(gòu)。除試驗壩外，還設(shè)置了試驗用上下游蓄水池、進水池、閥門井、消力池、水泵、抽水管道、液壓翻板、控制室及電氣設(shè)備等。

為了對溢洪道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗沖刷能力進行全面驗證，并探索新型淤地壩設(shè)計和施工標(biāo)準(zhǔn)，進行了長歷時循環(huán)放水試驗。試驗前將花果山水庫內(nèi)的蓄水抽到上游蓄水池，試驗開始后下泄流量大于抽水流量，上游蓄水池水位快速下降，下泄流量與抽水流量達到平衡狀態(tài)時上游蓄水池水位穩(wěn)定在某一高度，以此模擬連續(xù)的漫頂洪水沖刷過程。試驗壩溢洪道單寬最大瞬時流量和穩(wěn)定流量分別為4.82、1.00 m3/（s·m），最大泄流流速超過15 m/s。

2.2 試驗壩變形與應(yīng)力三維有限元分析

2.2.1 三維有限元模型

試驗壩三維有限元模型見圖3，坐標(biāo)系取順河流向下游為X軸正向、豎直向上為Z軸正向、沿壩軸線從右岸向左岸為Y軸正向。建模范圍為試驗壩及其上游10 m、下游30 m、左右岸各20 m、壩基以下20 m。模型網(wǎng)格劃分以八節(jié)點六面體等參單元為主，共劃分單元35 708個、節(jié)點43 068個。模型底部約束全部自由度，左右面Y向約束，前后面X向約束。

2.2.3 接觸及荷載條件

由于防沖刷保護層與壩體材料的剛度相差懸殊，因此在荷載作用下會表現(xiàn)出剪切滑移、脫開分離等不同于連續(xù)體的變形。本研究依據(jù)庫侖摩擦定律來模擬防沖刷保護層與壩體接觸面的力學(xué)行為，法向設(shè)定為剛性接觸、切向設(shè)定為摩擦接觸，摩擦系數(shù)取值為tan（0.75φ0）。

洪水漫流過程中因流速、流量、坡面及消力池表面平整度的差異等而產(chǎn)生極為復(fù)雜的沖刷和侵蝕，對此難以量化表述。本研究把水流對坡面及消力池表面的復(fù)雜作用簡化為自重壓力和因坡面（消力池表面）粗糙而產(chǎn)生的沖刷切應(yīng)力（見圖4），在漫頂沖刷過程中，坡面上的水流速度逐漸加快，水流速度在坡腳處達到峰值后在消力池中逐漸減緩，即沖刷切應(yīng)力從壩頂向坡腳逐漸增大，在消力池中逐漸減小。

2.2.4 變形及應(yīng)力計算結(jié)果分析

選取壩體中間橫斷面進行漫頂過流作用下的應(yīng)力變形分析。由于試驗壩是由舊壩改造而成的，壩體沉降已經(jīng)完成，因此對壩體變形的分析重點是在坡面水流和防沖刷保護層重力作用下的壩體位移增量。由圖5可知，在漫頂過流情況下，壩體水平向最大位移增量約為1.28 mm，豎直向最大位移（沉降）增量約為2.45 mm。由圖6可知，壩體應(yīng)力分布未見異常，在洪水漫頂情況下對新型淤地壩壩體穩(wěn)定性、安全性不會產(chǎn)生大的影響。

由黃土固化新材料溢洪道結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算結(jié)果（見圖7）可知：泄流結(jié)構(gòu)順坡向最大壓應(yīng)力約為0.5 MPa，發(fā)生在壩趾處;沿壩軸線方向，防沖刷保護層底面產(chǎn)生了最大約0.12 MPa的拉應(yīng)力;從主應(yīng)力來看，泄流結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力約為0.27 MPa（為拉應(yīng)力），最小主應(yīng)力約為0.52 MPa（為壓應(yīng)力）。整體來看，泄流結(jié)構(gòu)在大壩遭遇最大單寬流量為4.82 m3/（s·m）的大流量泄流時，不會產(chǎn)生超過黃土固化新材料強度的拉、壓應(yīng)力，結(jié)構(gòu)強度滿足泄洪要求。

2.3 溢洪道結(jié)構(gòu)與壩體之間的相對滑移及脫空情況分析

溢洪道結(jié)構(gòu)在泄流荷載作用下與大壩之間的相對滑移情況見圖8、圖9（溢洪道結(jié)構(gòu)順坡向的位移以向下為正，表面法向位移以向壩體為負），可以看出，最大滑移量約為2.45 mm，出現(xiàn)在壩體中部偏上位置。

溢洪道結(jié)構(gòu)在泄流荷載作用下與大壩之間的脫空情況見圖10、圖11，可以看出，防沖刷保護層下滑擠壓壩趾處的土體，二者發(fā)生相對變形，在壩趾處造成脫空區(qū)域，最大脫空值（二者法向最大位移的差值）約為1 mm。綜上所述，溢洪道和壩體之間不會產(chǎn)生大的相對滑移和脫空，黃土固化新材料溢洪道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。

2.4 溢洪道結(jié)構(gòu)與壩體之間脫空探測

為全面了解放水試驗完成后溢洪道結(jié)構(gòu)和壩體之間的脫空情況、驗證數(shù)值計算的結(jié)果，沖刷試驗結(jié)束后，利用地質(zhì)雷達探測技術(shù)對溢洪道結(jié)構(gòu)與原下游壩體之間是否存在脫空情況等進行了現(xiàn)場探測。采用的地質(zhì)雷達探測儀型號為SIR4000（美國GSSI公司生產(chǎn)），其搭配200 MHz天線;采用時間模式進行探測掃描，每次掃描的采樣數(shù)為1 024個、記錄時長為60 ns;采用5點法增益，濾波范圍為100～800 MHz，從壩頂沿下游壩坡等距離布置雷達測線。由探測結(jié)果可知，反射波同相軸未發(fā)生明顯錯動、未出現(xiàn)明顯缺失，雷達反射波波形未發(fā)生畸變，表明試驗壩溢洪道結(jié)構(gòu)與原壩體之間無明顯脫空等缺陷，與數(shù)值計算結(jié)果吻合較好。

3 結(jié) 論

三維有限元分析和地質(zhì)雷達探測表明：高標(biāo)準(zhǔn)免管護淤地壩在洪水漫頂、壩身過流情況下，壩體產(chǎn)生的增量位移較小，壩體應(yīng)力分布未見異常，對壩體的穩(wěn)定性、安全性不會產(chǎn)生大的影響;泄流結(jié)構(gòu)（溢洪道）不會產(chǎn)生超過黃土固化新材料強度的拉壓應(yīng)力，結(jié)構(gòu)強度滿足泄流要求;泄流結(jié)構(gòu)和大壩之間不會產(chǎn)生大的相對滑移和脫空，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。

高標(biāo)準(zhǔn)免管護新型淤地壩理論技術(shù)體系具有強大的生命力和廣闊的推廣應(yīng)用前景，本項目組將在材料研發(fā)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、施工工藝提升等方面開展更加深入的研究，為高標(biāo)準(zhǔn)免管護新型淤地壩理論技術(shù)體系的推廣應(yīng)用提供堅實的技術(shù)支撐。

參考文獻：

[1] 劉曉燕.關(guān)于黃河水沙形勢及對策的思考[J].人民黃河，2020，42（9）：34-40.

[2] 田杏芳，柏躍勤，張麗，等.淤地壩試驗研究[M].北京：中國計劃出版社，2005：3-14.

[3] 冉大川，羅全華，劉斌，等.黃河中游地區(qū)淤地壩減洪減沙及減蝕作用研究[J].水利學(xué)報，2004，35（5）：7-13.

[4] 吳偉.淤地壩設(shè)計技術(shù)和泥沙淤積進程研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2010：1-4.

[5] 付凌.黃土高原典型流域淤地壩減沙減蝕作用研究[D].南京：河海大學(xué)，2007：2-9.

[6] 王英順，田安民.黃土高原地區(qū)淤地壩試點建設(shè)成就與經(jīng)驗[J].中國水土保持，2005（12）：44-46.

[7] 鄭寶明.黃土丘陵溝壑區(qū)淤地壩建設(shè)效益與存在問題[J].水土保持通報，2003，23（6）：32-35.

[8] 高照良，楊世偉.黃土高原地區(qū)淤地壩存在問題分析[J].水土保持通報，1999，19（6）：16-19.

[9] 黨維勤，黨恬敏，高璐媛，等.黃土高原淤地壩及其壩系試驗研究進展[J].人民黃河，2020，42（9）：141-145.

[10] 王博.黃土高原淤地壩施工技術(shù)、質(zhì)量控制與運行安全保障措施[D].西安：西安理工大學(xué)，2007：3-5.

[11] 惠波，惠露，郭玉梅.黃土高原地區(qū)淤地壩“淤滿”情況及防治策略[J].人民黃河，2020，42（5）：108-111，115

[12] 鄭寶明，王曉，田永紅，等.淤地壩試驗研究與實踐[M].鄭州：黃河水利出版社，2003：3-6.

[13] 劉曉燕，高云飛，馬三保，等.黃土高原淤地壩的減沙作用及其時效性[J].水利學(xué)報，2018，49（2）：145-155.

[14] 李勉，姚文藝，史學(xué)建.淤地壩攔沙減蝕作用與泥沙沉積特征研究[J].水土保持研究，2005，12（5）：111-115.

[15] 于沭，陳祖煜，楊小川，等.淤地壩柔性溢洪道泄流模型試驗研究[J].水利學(xué)報，2019，50（5）：612-620.

[16] 王亮，聶興山，郝瑞霞.淤地壩蓄水加固改造方案的滲流和穩(wěn)定性分析[J].人民黃河，2021，43（4）：137-141.

[17] 張金良，蘇茂林，李超群，等.高標(biāo)準(zhǔn)免管護淤地壩理論技術(shù)體系研究[J].人民黃河，2020，42（9）：136-140.

[18] 索曉芳，郭恩輝，赫騰飛.重塑黃土鄧肯-張模型參數(shù)初步研究[J].石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，22（4）：59-62.

[19] 高江平，李芳.黃土鄧肯張模型有限元計算參數(shù)的試驗[J].長安大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006，26（2）：10-13，21.

[20] 劉軍定，李榮建，孫萍，等.基于結(jié)構(gòu)性黃土聯(lián)合強度的鄧肯-張非線性本構(gòu)模型[J].巖土工程學(xué)報，2018，40（增刊1）：124-128.

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