垂直堤壩內(nèi)的水流水力特性和應(yīng)力特征研究

周 洋

（清遠(yuǎn)市水利水電勘測設(shè)計院有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511500）

1 前言

水庫或河流大壩的形式與其地理位置和地質(zhì)條件息息相關(guān)，垂直堤壩形式由于占地面積小，經(jīng)濟(jì)效益高，儲水及排水能力強(qiáng)，在水庫和河流大壩中有著廣泛的設(shè)計應(yīng)用。大量學(xué)者就堤壩結(jié)構(gòu)體的滲流特征，開展了多方面的研究。汪在芹等[1］針對水庫大壩的滲漏治理問題進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：采用化學(xué)材料對微細(xì)裂縫進(jìn)行灌漿是除險加固工作中的一項(xiàng)有效手段。陳新等[2，3］研究了布料機(jī)在提高混凝土澆筑效率的作用。研究結(jié)果表明：混凝土大壩采用布料機(jī)施工后，效率明顯提高，加快了施工進(jìn)度，保證了安全度汛，同時，減小了后期施工的壓力。楊啟貴等[4，5］研究了東方山水庫在發(fā)生大的滲漏量的應(yīng)急處置措施。研究結(jié)果表明：泄、抽、堵、壓等多種方法并行實(shí)施，在滲漏發(fā)生處進(jìn)行及時處理，在預(yù)防大壩潰決方面效果明顯。王薇等[6］研究了超聲波成像在偵測大壩滲漏發(fā)生位置方面的應(yīng)用。研究結(jié)果表明：采用跨孔法成像技術(shù)對大壩進(jìn)行裂縫探測，能夠有效實(shí)現(xiàn)精細(xì)獲取裂隙位置，且獲取的結(jié)果與傳統(tǒng)有損檢測方法獲取的結(jié)果高度一致，為該方法在類似水庫大壩工程中的應(yīng)用提供了應(yīng)用基礎(chǔ)。陳泳江等[7，8］研究了大壩安全性評估方法。研究結(jié)果表明：改進(jìn)的FMECA-模糊分析法能夠有效評估水庫大壩的安全性，評估結(jié)果與實(shí)際水庫安全性等級相同。葛從兵等[9］對傳統(tǒng)的大壩巡檢網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)系統(tǒng)的缺陷進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：原有培訓(xùn)系統(tǒng)復(fù)雜不易用，新開發(fā)的培訓(xùn)系統(tǒng)架構(gòu)，結(jié)合了數(shù)項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，有效減輕了培訓(xùn)人員的工作壓力，同時，顯著改善了培訓(xùn)效果。

以上扼要分析表明，大量學(xué)者對大壩的受力、變形及災(zāi)害預(yù)測與防治方面開展了研究，研究成果顯著。然而，對于大壩的結(jié)構(gòu)形式的研究較少。為此，本文根據(jù)水庫堤壩形式，采用FLAC3D 軟件對垂直形式的大壩結(jié)構(gòu)在工程中的效果進(jìn)行了研究，為該形式大壩在今后水利工程中的應(yīng)用提供幫助。

2 工程概況

該水庫堤壩工程是當(dāng)?shù)厥姓┧退空{(diào)節(jié)的基礎(chǔ)支撐。大壩設(shè)計高15 m，設(shè)計蓄水水位為12 m，大壩采用垂直形式的混凝土壩基，壩基與下部鋼筋混凝土加固樁聯(lián)結(jié)，大壩長120 m，壩寬20 m。1 m 寬的三維橫截面壩體原始模型圖見圖1。壩體下部采用C50 現(xiàn)澆混凝土修建，上部采用C45現(xiàn)澆混凝土修建，兩種類型的混凝土的物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

圖1 壩體尺寸三維示意圖

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

在FLAC3D 軟件，根據(jù)圖1 中的實(shí)際的大壩壩基結(jié)構(gòu)的橫截面尺寸，構(gòu)建與圖1 相同的三維模型，進(jìn)行后續(xù)數(shù)值計算分析，由于大壩壩基結(jié)構(gòu)形式簡單，且為混凝土壩基，混凝土相關(guān)物理力學(xué)性質(zhì)明確，構(gòu)建模型采取軟件自構(gòu)建模式；簡而言之，F(xiàn)LAC3D 軟件包含有簡單的自帶的構(gòu)建模型的模塊，該方法簡單實(shí)用，完全能夠滿足本文中的壩基結(jié)構(gòu)的模型創(chuàng)建，即采用BLOCK 命令構(gòu)建下部壩基；在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)采用BLOCK 命令構(gòu)建上部壩基，而后根據(jù)表1 參數(shù)，設(shè)置相應(yīng)的各部分材料參數(shù)，‘zone property’命令用于完成這一過程。最終構(gòu)建的三維模型見圖2。

圖2 三維數(shù)值計算模型

3.2 壩基內(nèi)的水力特征

為了分析在水壩蓄水后，壩體內(nèi)的水流水力特性，通過調(diào)出相應(yīng)的流量通量圖，并將其以矢量形式呈現(xiàn)，壩體內(nèi)的水流矢量圖見圖3。同時，為了研究壩體內(nèi)的水流通過壩體的滲流過程，壩體內(nèi)的水流流線圖見圖4。

圖3 壩體內(nèi)的水流矢量圖（單位：m3／s）

圖4 壩體內(nèi)的水流流線圖

圖3 所示為蓄水后壩體內(nèi)的水流矢量圖，根據(jù)圖中矢量線的長短，分析水流在通過壩體時在壩體內(nèi)的滲流特點(diǎn)，首先可以得出，從上游向下，水流在慣性力及重力、水頭壓力差作用下，不斷向下匯聚，至最左側(cè)下游位置，最大流量值為1.36×10-6m3／s，最上游流量值最小，約為1.6×10-7m3／s；從最上游至最下游，變化趨勢近似為線性變化過程，變化梯度為6×10-8m3／（s?m），可知變化梯度極小，且下游最大流量為1.36×10-6m3／s，也幾乎為零。說明該設(shè)計堤壩形式有效阻隔了壩體內(nèi)的水向下游的滲流泄露，但仍有少量滲流現(xiàn)象存在，運(yùn)營階段應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測。

圖4 所示為蓄水后壩體內(nèi)的水流流線圖，根據(jù)圖中流線的形態(tài)，分析水流在通過壩體時在壩體內(nèi)的滲流流動特點(diǎn)，首先可以得出，從壩體的上游向下游，在1.5 m 范圍內(nèi)壩體內(nèi)的滲流水迅速向下匯聚；并在0.75 m 范圍內(nèi)迅速匯聚至壩體的下部2 m 范圍內(nèi)，隨后保持水平運(yùn)動方式向下游滲流，至最右側(cè)下游位置。

由上述對壩體內(nèi)的水流矢量圖的詳細(xì)解析，可知，從上游向下，水流不斷向壩基下部位置匯聚，至下游位置，最大流量值為1.36×10-6m3／s，變化梯度為6×10-8m3／（s?m）；由對蓄水后壩體內(nèi)的水流流線圖的詳細(xì)解析，可知，壩體內(nèi)的滲流水，在距上游1.5 m 范圍內(nèi)壩體內(nèi)的滲流水迅速向下匯聚，并在0.75 m 范圍內(nèi)迅速匯聚至壩體的下部2 m 范圍內(nèi)。

3.3 結(jié)構(gòu)體的受力特征

為了分析蓄水后壩體的受力特點(diǎn)，以分析這種結(jié)構(gòu)形式的壩體的力學(xué)穩(wěn)定性，導(dǎo)出了蓄水后壩體內(nèi)的XX 方向的最大有效應(yīng)力云圖，見圖5。同時導(dǎo)出了蓄水后壩體內(nèi)的ZZ 方向的最大有效應(yīng)力云圖，見圖6。

圖5 壩體內(nèi)XX 方向應(yīng)力云圖（單位：Pa）

圖6 壩體內(nèi)ZZ 方向應(yīng)力云圖（單位：Pa）

圖5 所示為蓄水后壩體內(nèi)的XX 方向有效應(yīng)力云圖，根據(jù)圖中云圖圖例所示，分析壩體在蓄水后的XX 方向的應(yīng)力變化特點(diǎn)，首先可以得出，從壩體上部至下部，在約9.5 m 高度范圍內(nèi)的壩體XX 方向的應(yīng)力約為1.0×103Pa；從壩體9.5 m高度至壩體最底部12 m 位置處，呈線性增大趨勢，最大應(yīng)力值為1.05×104Pa，變化梯度約為2.5×103Pa／m，可見壩體上部9.5 m 高度范圍內(nèi)XX 方向的有效應(yīng)力較小，而在下部2.5 m范圍內(nèi)的XX 方向的有效應(yīng)力較大。

圖6 所示為蓄水后壩體內(nèi)的ZZ 方向有效應(yīng)力云圖，根據(jù)圖中云圖圖例所示，分析壩體在蓄水后的ZZ 方向的應(yīng)力變化特點(diǎn)，首先可以得出，從壩體上部至下部，呈線性增大趨勢；最小應(yīng)力值為1.5×103Pa，最大應(yīng)力值為5.85×104Pa，變化梯度約為4.75×103Pa／m。說明該種壩基設(shè)計形式，以及對上部采用C45 混凝土澆筑，而下游采用較高強(qiáng)度的C50 混凝土澆筑的材料選擇是合理的。

4 結(jié)論

（1）從上游向下，流量不斷增大，最大流量值為1.36×10-6m3／s，變化梯度為6×10-8m3／（s?m）；在距上游1.5 m范圍內(nèi)，滲流水迅速向下匯聚，并在0.75 m 范圍內(nèi)匯聚至壩體的下部2 m 范圍內(nèi)，隨后保持水平運(yùn)動方式至下游位置。

（2）在壩體從上向下約9.5 m 高度范圍內(nèi)，壩體XX 方向的應(yīng)力約為1.0×103Pa，9.5 m～12 m，呈線性增大趨勢，至最底部位置增大至最大應(yīng)力值1.05×104Pa，變化梯度約為2.5×103Pa／m；ZZ 方向的應(yīng)力變化特點(diǎn)，上部至下部，呈線性增大趨勢，最小值為1.5×103Pa，最大值為5.85×104Pa，變化梯度約為4.75×103Pa／m。

（3）XX 方向和ZZ 方向的應(yīng)力變化特點(diǎn)，說明該種設(shè)計壩基設(shè)計形式是合理的，但是下游仍有少量滲漏現(xiàn)象存在，建議運(yùn)營階段應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測。