土石壩對水流重力運(yùn)動的影響研究

孫壽富

（蘭陵縣水利建筑安裝公司,山東 蘭陵 277731）

1 前言

各類蓄水工程中普遍采用修筑成本低廉的土石壩進(jìn)行攔水壩的施工。為了能夠?qū)ν潦瘔蔚墓ぷ餍阅苡忻鞔_認(rèn)識,許多學(xué)者對土石壩工程的壩體及壩基的各類相關(guān)力學(xué)性質(zhì)和特點(diǎn)開展了廣泛研究,吳世余等[1,2]對堤壩滲流的計(jì)算方法開展了研究,通過提出與堤壩相關(guān)的流態(tài)分區(qū)概念,試圖建立一種更為簡單的求解計(jì)算方法,隨后又提出來基于流量固定的上下游水流流態(tài)互不干擾法則用來對堤壩滲流進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果表明：采用常用的努美羅夫理論解對上述方法進(jìn)行驗(yàn)證,證明了該方法的確實(shí)可以用來對堤壩滲流進(jìn)行計(jì)算,同時(shí)采用柯欽娜理論解的驗(yàn)證結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。劉子方等[3]針對堤壩實(shí)際狀態(tài)的非穩(wěn)定滲流狀態(tài)進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：由于邊界條件和上游水位復(fù)雜多變,求解困難,而新提出的計(jì)算非穩(wěn)定滲流的計(jì)算模型經(jīng)過監(jiān)測資料的驗(yàn)證,證明了對求解此類問題的有效性。李維朝等[4]對堤壩運(yùn)行過程中兩種最常見的滲透破壞形式,管涌集中滲流沖蝕,沿裂縫沖蝕進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明：水力剪應(yīng)力相比于水力坡降、水流流速兩個(gè)指標(biāo),更能有效指示裂縫沖蝕起動,因此,盡管較難直接量測,但是仍應(yīng)作為判別由裂縫造成的沖蝕起動的判別指標(biāo)。姜樹海等[5]針對堤壩防洪工程老化問題可能引起的各種風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性逐漸提高的時(shí)變特性進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明：Bayes 方法可用來對這類隨機(jī)量造成的隨機(jī)風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行計(jì)算分析,而在此過程中需利用盡可能多的先驗(yàn)信息,并且對相關(guān)參數(shù)做到實(shí)時(shí)采樣更新。朱萍玉等[6]提出了一種采用監(jiān)測溫度的方法對堤壩滲流造成的安全問題進(jìn)行監(jiān)測。模型實(shí)踐研究結(jié)果表明：分布式光纖模擬裝置監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)Σ煌疁貤l件下的堤壩滲流程度進(jìn)行重復(fù)模擬,對不同浸潤線條件下的堤壩滲流程度進(jìn)行建模分析模擬,該監(jiān)測系統(tǒng)為堤壩安全系數(shù)的量化研究提供了一個(gè)有效平臺。李新華等[7]通過對爾王莊水庫堤壩運(yùn)行過程中的滲流監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析研究,研制出建立于相應(yīng)滲流監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的各類堤壩滲流參數(shù)的時(shí)變模型,并提出和開發(fā)了基于MATLAB 平臺的滲流參數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型,并用實(shí)測值對該滲流模型進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：該滲流參數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型能夠有效預(yù)測滲流參數(shù)的遠(yuǎn)期變化,從而為堤壩滲流風(fēng)險(xiǎn)識別提供幫助。廖紅建等[8]對水庫堤壩中的各向同性土坡在飽和-非飽和狀態(tài)下的滲流特性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：通過時(shí)間和空間離散化方法處理堤壩滲流場的動態(tài)變化,對壩坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析能夠得出滲流與邊坡破壞的內(nèi)在聯(lián)系。涂向陽等[9]利用實(shí)測土內(nèi)的水頭位置數(shù)據(jù)建立的數(shù)值模型進(jìn)行了堤壩滲流的數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明：全封閉高壓噴射手段為壩體內(nèi)建立灌漿防滲墻的壩體加固方案對壩基加固效果明顯。沈振中等[10]基于變分原理和罰函數(shù)法,建立了用于處理堤壩滲流問題的基本方程,并通過實(shí)例研究了其有效性。研究結(jié)果表明：建立的基本方程是正確的,且計(jì)算精度和計(jì)算效率均比較高,可用于求解堤壩滲流問題。蘇永軍等[11]利用有限元軟件建立數(shù)值模型,水位漲落造成的海堤滲流問題進(jìn)行了數(shù)值模擬,結(jié)果表明：各主要參數(shù)組成的盒維數(shù)變化隨水位漲落而發(fā)生變化,各單個(gè)參數(shù)的變化過程和趨勢不同,同時(shí)說明分維值是一種簡潔的方法。

以上學(xué)者的成果斐然,但是,均未開展堤壩滲流特點(diǎn)的詳細(xì)分析研究。本文依托實(shí)際堤壩工程,開展上流蓄水條件下,水流在壩體內(nèi)的滲流特點(diǎn)研究,這一分析研究過程主要通過Geo-studio 軟件來開展,通過以實(shí)際工程形態(tài)特點(diǎn)進(jìn)行建模分析,計(jì)算求解,獲取結(jié)果,對結(jié)果進(jìn)行解析。

2 工程概況

該實(shí)體蓄水堤壩工程位于貴州省境內(nèi),堤壩邊坡橫剖面見圖1,構(gòu)成堤壩的材料主要是碎石土,其主要組成材料有：粘土、砂土、不同顆粒直徑的碎石,各類材料的及壓實(shí)碎石土的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土石壩材料物理力學(xué)參數(shù)

圖1 堤壩邊坡橫剖面圖

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

Slope 模塊是存在于Geostudio 軟件中的一個(gè)專門用來做滲流分析的一個(gè)模塊,在此模塊中構(gòu)建實(shí)體堤壩輪廓,設(shè)置表1中相應(yīng)的材料參數(shù),將相應(yīng)區(qū)域進(jìn)行材料賦值,同時(shí)設(shè)置好水位面,最后進(jìn)行分析求解計(jì)算[12,13]。

根據(jù)相應(yīng)的堤壩設(shè)計(jì),該堤壩設(shè)計(jì)成直角梯形截面,直角邊臨近水邊,見圖2,壩基基底寬18 m,頂寬9 m,高12 m,壩基截面自身慣性矩（IY 和IZ）為7.89×1015m4,設(shè)計(jì)安全系數(shù)為1.5。

圖2 蓄水水庫壩基滲流計(jì)算模型

3.2 滲流特征及水通量

數(shù)值模擬最終的滲流結(jié)果圖見圖3。X 方向的水通量隨著距離的變化過程見圖4。

圖3 滲流數(shù)值計(jì)算結(jié)果圖

圖4 壩基X 方向水通量變化圖

圖3為最終計(jì)算完成后的滲流特征圖,圖中所示黑色箭頭為碎石土中水流通過的方向及最終在最右側(cè)呈現(xiàn)出的走向,從圖中黑色箭頭在壩基右側(cè)的出露情況可知,壩基右側(cè)水流通過時(shí),從基底Y=0 位置開始向上到達(dá)Y=4 位置處均有黑色箭頭出露,表明水流通過土體后在右側(cè)呈現(xiàn)一定的滲流出露特征,而且從上到下呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢,水流在壩基土體內(nèi)總體呈現(xiàn)由左上向右下的運(yùn)動趨勢,水流向右下方匯聚,越向右下方水流越大。總水頭云圖顯示,從左向右,總水頭逐漸減小,且越靠近右側(cè)臨空位置,總水頭降低越快,這與水流向右下端的匯聚特點(diǎn)一致。

圖4所示為壩基X 方向水通量隨距離X 的變化趨勢圖,由圖可知,壩基X 方向的水通量由X 距離從小到大,在X=0 m～20 m 范圍內(nèi),呈現(xiàn)出微向上方凸起的對稱弧形,在20 m 處有一個(gè)向下的突變,這一點(diǎn)整對應(yīng)前述分析的壩體右側(cè)上方滲流出露點(diǎn)的X 坐標(biāo)值,隨后又以一較小角度上升至與最初值相近的水通量值,約為3.6×10-7m3/（s·m2）。

4 結(jié)論

本文通過對土石壩在上游蓄水條件下的滲流特征的分析研究,獲得了相應(yīng)的滲流參數(shù)隨著在壩基內(nèi)的位置變化而呈現(xiàn)的特點(diǎn),主要獲得以下結(jié)論：

（1）水流通過土體后在右側(cè)呈現(xiàn)一定的滲流出露特征,而且從上到下呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。

（2）水流在壩基土體內(nèi)總體呈現(xiàn)由左上向右下的運(yùn)動趨勢,水流向右下方匯聚,越向右下方水流越大。

（3）壩基X 方向的水通量在X=0 m～20 m 范圍內(nèi),呈現(xiàn)出微向上方凸起的對稱弧形,在X=20 m處有一個(gè)向下的突變,隨后上升至最初值大小為3.6×10-7m3/（s·m2）的水通量。