五皋垅水庫導(dǎo)流圍堰穩(wěn)定性優(yōu)化中混凝土楔形體的應(yīng)用

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（江西省修江水利電力勘察設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，江西 南昌 330000）

1 工程概況

該工程為Ⅴ等小（2）型工程，攔河壩（非溢流壩、溢流壩）、壩下涵管均為5 級(jí)建筑物。施工期設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用5 年一遇。水庫大壩為砌石重力壩，采用分期導(dǎo)流。

2 混凝土楔形體的應(yīng)用

2.1 圍堰開裂特征參數(shù)優(yōu)化

水庫導(dǎo)流圍堰中應(yīng)用混凝土楔形體后圍堰周圍將形成滲流場，將圍堰結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)量級(jí)設(shè)定為1E-10 m/s，則圍堰接縫處單位寬度對(duì)應(yīng)的流量取值主要與圍堰寬度、運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)、滲流速度、水力坡降及重力加速度等有關(guān)。若滲透系數(shù)相等，則依據(jù)達(dá)西定理，導(dǎo)流圍堰中混凝土楔形體的流量值主要取決于裂縫處水力坡降和滲透系數(shù)。根據(jù)以上分析，將導(dǎo)流圍堰混凝土楔形體應(yīng)用后圍堰滲透系數(shù)表示如下：

式中：k—滲透系數(shù)；g—重力加速度，m/s2；b—圍堰寬，m；v—運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)。

根據(jù)水庫導(dǎo)流圍堰滲透系數(shù)的影響因素及可能取值，將導(dǎo)流圍堰視為實(shí)體單元，構(gòu)建圍堰結(jié)構(gòu)數(shù)值模型坐標(biāo)系，具體見圖1。以圖中所示模型為研究對(duì)象進(jìn)行混凝土楔形體開裂縫數(shù)值模擬，同時(shí)將不同縫寬所對(duì)應(yīng)的裂縫數(shù)量匯總至表1。由表中結(jié)果可以看出，不同縫寬下，裂縫數(shù)量基本保持在6條及以下。根據(jù)對(duì)表中最大縫長和縫寬及水庫導(dǎo)流圍堰結(jié)構(gòu)開裂程度的分析，混凝土楔形體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及楔形體水泥含量均與圍堰結(jié)構(gòu)開裂程度呈反向變動(dòng)關(guān)系，據(jù)此，可從以上方面著手優(yōu)化導(dǎo)流圍堰開裂特征參數(shù)，降低裂縫病害對(duì)圍堰穩(wěn)定性的不利影響。

圖1 導(dǎo)流圍堰結(jié)構(gòu)數(shù)值模型坐標(biāo)系圖

表1 模型坐標(biāo)系中裂縫數(shù)量統(tǒng)計(jì)表

2.2 穩(wěn)定系數(shù)優(yōu)化

在混凝土楔形體應(yīng)用后，以對(duì)應(yīng)的開裂系數(shù)及滲透量為基礎(chǔ)，將水庫導(dǎo)流圍堰視為折線形實(shí)用堰，并進(jìn)行堰上水頭計(jì)算。在此種情況下，導(dǎo)流圍堰結(jié)構(gòu)體在長時(shí)間水流沖刷下會(huì)形成沖擊坑，楔形體也會(huì)在圍堰下游形成較為穩(wěn)定的消力池?；炷列ㄐ误w應(yīng)用后可得到不同穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)穩(wěn)定系數(shù)的變化規(guī)律，在混凝土楔形體控制下的水流流速值持續(xù)增大的情況下，穩(wěn)定系數(shù)呈減小趨勢。在五皋垅水庫導(dǎo)流圍堰中應(yīng)用混凝土楔形體以優(yōu)化圍堰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的過程中，必須引入動(dòng)能校正系數(shù)以控制水流流速，并將圍堰結(jié)構(gòu)劃分成不同區(qū)段，分別計(jì)算各區(qū)段消能率，最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定系數(shù)優(yōu)化。

3 混凝土楔形體作用的試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為進(jìn)行混凝土楔形體對(duì)水庫導(dǎo)流圍堰穩(wěn)定性優(yōu)化作用的試驗(yàn)分析，按照不同配合比制備混凝土楔形構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn)，試件H1配合比為粉煤灰：膨潤土：水泥：砂：石：減水劑：水膠比：水=25∶31∶148∶820∶285∶1.6∶0.84∶290 g，試件H2配合比為粉煤灰：膨潤土：水泥：砂：石：減水劑：水膠比：水=25∶33∶152∶840∶295∶1.6∶0.86∶300 g，試件H3配合比為粉煤灰：膨潤土：水泥：砂：石：減水劑：水膠比：水=23∶35∶155∶860∶305∶1.6∶0.88∶320 g。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，楔形構(gòu)件H1抗壓強(qiáng)度1.65 MPa，彈性模量876 MPa，滲透系數(shù)1.72×10-4cm/s，泌水率0.52%，混凝土容重2 024 kg/m3；楔形構(gòu)件H2抗壓強(qiáng)度1.61 MPa，彈性模量831 MPa，滲透系數(shù)1.70×10-4cm/s，泌水率0.54%，混凝土容重2 017 kg/m3；楔形構(gòu)件H3 抗壓強(qiáng)度1.65 MPa，彈性模量856 MPa，滲透系數(shù)1.70×10-4cm/s，泌水率0.55%，混凝土容重2 033 kg/m3。根據(jù)以上參數(shù)所設(shè)計(jì)出的水庫導(dǎo)流圍堰結(jié)構(gòu)具體見圖2。

圖2 導(dǎo)流圍堰結(jié)構(gòu)布置圖

3.2 結(jié)果及分析

結(jié)合以上準(zhǔn)備，假定該水庫導(dǎo)流圍堰內(nèi)水流速度按照0.5 m/s的速度上升，觀測時(shí)間50 h，按照5 h的時(shí)間間隔進(jìn)行圍堰結(jié)構(gòu)裂縫情況測量，以所測得的圍堰堰體裂縫數(shù)值為比較標(biāo)準(zhǔn)。測量結(jié)果具體見表2。根據(jù)表中測量結(jié)果，在三種不同處理措施下，圍堰堰體實(shí)際剪切力不同，對(duì)應(yīng)的開裂數(shù)值也不一致，未設(shè)置混凝土楔形體時(shí)圍堰堰體裂縫長度較大，其余加固處理措施下圍堰堰體裂縫長度居中，設(shè)置混凝土楔形體后圍堰堰體裂縫長度最小?？傊?，混凝土楔形體的應(yīng)用能有效控制圍堰堰體開裂。

表2 圍堰堰體裂縫長度表

在以上試驗(yàn)條件下，應(yīng)用瑞典圓弧法進(jìn)行該水庫導(dǎo)流圍堰安全性系數(shù)計(jì)算，公式如下：

式中：F—水庫導(dǎo)流圍堰結(jié)構(gòu)安全系數(shù)；MR—抗滑力矩；MS—土體圍繞圓心下滑所產(chǎn)生的滑動(dòng)力矩。

在式（2）中取未設(shè)置混凝土楔形體、其余處理措施、設(shè)置混凝土楔形體等三種工況下該水庫導(dǎo)流圍堰混凝土楔形體性能系數(shù)均值為最終的穩(wěn)定性系數(shù)，結(jié)果見圖3。由圖3可知，在未設(shè)置混凝土楔形體情況下導(dǎo)流圍堰堰體安全系數(shù)在1.9左右，傳統(tǒng)加固處理措施下圍堰堰體安全系數(shù)在2.1～2.3之間變動(dòng)，設(shè)置混凝土楔形體下導(dǎo)流圍堰堰體安全系數(shù)在2.25～2.40 范圍內(nèi)變化。綜合以上分析，文中所提出的設(shè)置混凝土楔形體的加固措施對(duì)水庫導(dǎo)流圍堰堰體安全穩(wěn)定十分有利。

圖3 混凝土楔形體應(yīng)用前后安全系數(shù)變化圖

4 結(jié)論

綜上所述，水庫工程導(dǎo)流圍堰穩(wěn)定與否直接關(guān)系到水庫工程性能的穩(wěn)定發(fā)揮，通過設(shè)置混凝土楔形體，可以起到穩(wěn)固水庫導(dǎo)流圍堰的左右，并能有效改善傳統(tǒng)穩(wěn)定方法以及不設(shè)置混凝土楔形體下圍堰堰體開裂數(shù)值過大、圍堰安全系數(shù)過低的問題，對(duì)于水利水電導(dǎo)流圍堰堰體加固具有較大的適用性。