結(jié)合三維算例分析技術(shù)的混凝土面板堆石壩面板防滲效果研究

徐智謀

(中國重型機械有限公司,北京 100070)

0 引 言

在現(xiàn)代工程建設(shè)中,混凝土面板堆石壩作為一種重要的水工結(jié)構(gòu),其防滲性能對于工程的安全運行至關(guān)重要[1]。然而,由于混凝土面板堆石壩的工作環(huán)境復(fù)雜多變,其面板防滲效果受到多種因素的影響,如地質(zhì)條件、施工工藝、材料性能等[2]。因此,對不同工況下混凝土面板堆石壩的面板防滲效果進行研究,對于提高工程的安全性和經(jīng)濟效益具有重要的理論和實踐意義[3]。

目前,混凝土面板堆石壩的防滲效果一般通過靜態(tài)監(jiān)測方法來評估。這些方法主要依賴于有限數(shù)量的監(jiān)測點,無法提供全局的數(shù)據(jù),對于不同工況的防滲效果無法進行分析,存在一定局限性[4]。通過開裂因素分析,可以識別可能導(dǎo)致混凝土面板堆石壩開裂和滲漏的關(guān)鍵因素,有助于深入分析問題的根本原因。并在此基礎(chǔ)上進行建模仿真分析,可以全面考慮多個物理因素,模擬混凝土面板堆石壩在不同工況下的工作狀態(tài),有助于提前識別問題并采取相應(yīng)措施[5]。

Comsol Multiphysics是一種多物理場仿真軟件,可用于模擬多個物理現(xiàn)象,如熱傳導(dǎo)、滲流、力學(xué)等,其軟件特點與堆石壩的面板防滲效果研究需求相符合。在該背景下,本文提出針對不同工況的混凝土面板堆石壩面板防滲效果研究方法,將多物理場仿真軟件應(yīng)用于混凝土面板堆石壩面板開裂及滲流數(shù)值模擬中,以期為水利工程建設(shè)提供可行的技術(shù)參考。

1 混凝土面板堆石壩面板開裂及滲流數(shù)值模擬方法設(shè)計

1.1 混凝土面板堆石壩面板開裂因素分析

混凝土面板堆石壩是由堆石體和防滲系統(tǒng)構(gòu)成的壩體結(jié)構(gòu),其中防滲系統(tǒng)由鋼筋混凝土面板、趾板等結(jié)構(gòu)組成[6-7]。良好的防滲效果不僅可以保證大壩的安全,還可以避免水資源的浪費,確保下游的供水需求得到滿足[8-9]。針對混凝土面板堆石壩面板開裂及滲流數(shù)值進行模擬,能夠為堆石壩工程的安全維護提供更多技術(shù)保障,提升大壩的經(jīng)濟效益[10-11]。

研究首先對混凝土面板堆石壩面板的開裂因素進行分析。在進行開裂分析時,以現(xiàn)有壩體開裂案例作為參考信息,對壩高、面板厚度、裂縫寬度深度長度、裂縫走向、裂縫位置以及裂縫形成因素進行分析。混凝土面板開裂主要表現(xiàn)為非結(jié)構(gòu)性裂縫和結(jié)構(gòu)性裂縫兩類。

非結(jié)構(gòu)性裂縫主要由干縮應(yīng)力、溫度應(yīng)力和濕度變化引起,主要來自內(nèi)部應(yīng)力和壩體自身的收縮。干縮應(yīng)力是壩體內(nèi)混凝土發(fā)生濕度變化而產(chǎn)生的,混凝土在完成拌和后含有一定水分,隨著時間流逝,部分水分被蒸發(fā),導(dǎo)致混凝土有效體積變小?；炷恋母煽s屬于自然現(xiàn)象,受混凝土成分配比和內(nèi)部結(jié)構(gòu)約束的影響。溫度應(yīng)力主要由外界氣溫變化、混凝土內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致?；炷猎跐仓r,內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部保持較高溫度,完成化學(xué)反應(yīng)后溫度驟降,導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)形狀變化趨勢。當(dāng)外界溫度出現(xiàn)突然變化時,混凝土表面溫度發(fā)生快速變化,混凝土內(nèi)部和表面出現(xiàn)較大溫差,所產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過面板可承受應(yīng)力上限,導(dǎo)致面板出現(xiàn)開裂情況。

結(jié)構(gòu)性裂縫主要來自壩體的不均勻沉降和地質(zhì)地形影響,堆石壩在修建時的分期填筑工藝會導(dǎo)致壩體出現(xiàn)不均勻的沉降現(xiàn)象,面板在這種情況下的變形不均勻,進而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫。堆石壩中使用的堆石體在長期工作時會出現(xiàn)流變變形,使面板脫空出現(xiàn)裂縫。在壩體工作時,壩體浸潤線以上部分的材料會因浸潤線上升出現(xiàn)濕化作用,出現(xiàn)沉降,進而產(chǎn)生壩體裂縫。因為壩體工程的特殊性,堆石壩一般被建造在復(fù)雜地質(zhì)區(qū)域,復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)對壩體施加的應(yīng)力導(dǎo)致壩體出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫。

1.2 結(jié)合水壓力分析的面板開裂數(shù)值模擬方法

水下裂縫的入水口壓力受到所處水深高度的影響,導(dǎo)致裂縫內(nèi)部的滲流受到不用程度水壓影響,使流速和滲流量的參數(shù)發(fā)生變化,滲流場的分布情況也受到影響[12-13]。在對面板開裂數(shù)值進行模擬時,綜合水壓力情況進行分析[14]。進行數(shù)值模擬時,使用Comsol Multiphysics模擬仿真軟件進行建模仿真分析。進行數(shù)值計算前,選取代表水壓范圍和代表裂縫寬度,暫不進行不同裂縫深度的分析,并假定面板已被貫穿[15]。以開裂寬度和深度作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),建立簡單的二維裂縫模型,并進行網(wǎng)格剖分,獲取邊單元和域單元。通過流量和入水口水壓的關(guān)系式對裂縫進行構(gòu)建,公式如下:

Q=a·Pb

(1)

式中:Q為裂縫通過流量,m3/s;P為入水口水壓,MPa;a、b均為擬合參數(shù)。

當(dāng)水流流動狀態(tài)符合達西定律時,通過流量與水力梯度的關(guān)系如下:

Q=KAJ

(2)

式中:K為滲透系數(shù);A為過流面積,m3;J為水力梯度,Pa/m。

引入裂縫深度參數(shù),生成滲透系數(shù)計算式,公式如下:

式中:d為裂縫深度,也可作為滲徑長度,m;n、m均為滲透系數(shù)擬合參數(shù)。

在建立三維算例模型時,對算例模型進行簡化,將網(wǎng)格密度設(shè)置為相同參數(shù),并通過八節(jié)點六面體的形式進行劃分。所構(gòu)建的模型主要包含壩體兩岸基巖、墊層、防滲墻、堆石體和面板部分。構(gòu)建的三維算例模型見圖1。

圖1 壩體三維算例模型

圖1中,所構(gòu)建的三維算例模型設(shè)置水流方向為模型空間Y軸正方向,設(shè)置河流左岸到右岸方向為X軸正方向,設(shè)置大壩基巖最低點為Z軸起點,沿地面向上為Z軸正方向。X軸涉及的尺寸參數(shù)主要為壩體兩岸巖體寬度和壩體寬度;Y軸涉及的尺寸參數(shù)主要為上下游段河床長度和壩體最大截面長度;Z軸涉及的尺寸參數(shù)主要為大壩高、基巖厚度和覆蓋層厚度。

計算時,在壩體上游加入長度為200m的水頭,在壩體下游加入長度為120m的水頭,不考慮地下水邊界,設(shè)置兩岸巖體外側(cè)為不透水邊界。

模型運行時,需輸入不同部位的滲透系數(shù)為計算參數(shù)。設(shè)置0～0.15MPa、0.15～0.48MPa、0.48～0.80MPa、0.80～1.01MPa共4個水壓梯度范圍,分別對應(yīng)不同水位高度范圍。

1.3 不同連接方式防滲墻滲流數(shù)值模擬方法

面板堆石壩是一種用堆石或砂礫石分層碾壓填筑成壩體,同時采用混凝土面板作為防滲體的壩型結(jié)構(gòu)。防滲系統(tǒng)由鋼筋混凝土面板、趾板、趾板地基的灌漿帷幕、周邊縫和面板間的接縫止水組成。面板位于堆石壩體上游面,起到防滲作用。在進行防滲墻滲流數(shù)值模擬時,需要對連接板、趾板、混凝土面板和防滲墻進行考慮。面板是堆石壩的關(guān)鍵部分,位于堆石壩體的上游表面,用作防止水流滲入的防滲體,其強度和耐用性直接決定了堆石壩的使用壽命。趾板是連接面板和堆石壩體的構(gòu)件,不僅支撐面板,也負責(zé)將水壓力傳遞到堆石壩體上。因此,趾板需要具有足夠的強度和穩(wěn)定性,能夠承受來自面板和堆石壩體的壓力。連接板是用于連接相鄰兩塊面板的結(jié)構(gòu)件,以確保整個面板結(jié)構(gòu)在受到外力作用時能保持整體穩(wěn)定,減少因溫度變化或地震等外力導(dǎo)致的裂縫產(chǎn)生。

防滲墻是修建在松散透水層或土石壩(堰)中起防滲作用的地連續(xù)墻,通過向地基中注入一定濃度的水泥漿液,形成一道連續(xù)的防水屏障,從而阻止水的滲透。防滲墻一般有剛性連接和柔性連接兩種連接方式。剛性連接方式設(shè)置連接梁,將混凝土灌樁和防滲墻進行連接,混凝土連接梁上方與趾板和連接板相連接。柔性連接使用柔性止水和連接板,將趾板與防滲墻連接為一體,趾板和面板之間設(shè)置有柔性止水,連接板和趾板安裝在覆蓋層之上。針對防滲墻的結(jié)構(gòu),將數(shù)值模擬時使用的模型進行簡化,見圖2。

圖2 防滲墻簡化模型

由圖2可知,在未進行簡化時,剛性連接模型主要含有兩層防滲墻、連接梁和趾板結(jié)構(gòu);柔性連接模型主要含有防滲墻和趾板結(jié)構(gòu)。在進行簡化時,從防滲目的出發(fā),省略連接板和趾板結(jié)構(gòu),僅保留防滲墻,并將面板結(jié)構(gòu)前移與防滲墻相連接。所建立的三維網(wǎng)格模型僅截取整個壩體的一個壩段,其中包含防滲墻、墊層、面板、覆蓋層和堆石體部分。進行模擬時,結(jié)合材料滲透系數(shù)和防滲墻開裂位置,對滲流場情況進行分析。

2 混凝土面板堆石壩面板開裂及滲流數(shù)值模擬方法有效性分析

為了對研究設(shè)計的開裂及滲流數(shù)值模擬方法在對混凝土面板堆石壩面板進行分析時的有效性進行分析,選取一座正常蓄水位800m的混凝土面板堆石壩工程進行應(yīng)用分析。該工程死水位795m,壩頂寬10.0m,壩頂長348.2m,最大壩高111.0m,上游坡比1∶1.4,覆蓋層厚度44～48m。壩體結(jié)構(gòu)由下到上分別為次堆石區(qū)、主堆石區(qū)、過渡層、墊層和面板,混凝土防滲墻被設(shè)置在壩體上游位置。設(shè)置壩體材料參數(shù)見表1。

表1 壩體材料參數(shù)

對不同水平鋪蓋長度下的壩前水頭值和壩內(nèi)水頭等值線高度變化進行分析,見圖3。

圖3 壩前水頭值和壩內(nèi)水頭值等高線變化

由圖3可知,在不同防滲墻深度情況下,壩前水頭值和壩內(nèi)水頭等值線高都隨著水平鋪蓋長度變大而下降。在無防滲墻時,水平鋪蓋長度為50m時的壩前水頭值為155m;水平鋪蓋長度達到350m時的壩前水頭值下降至140m。在防滲墻深為18m時,水平鋪蓋長度為50m時的壩前水頭值為155m;水平鋪蓋長度達到350m時的壩前水頭值下降至130m。在防滲墻深為30m時,水平鋪蓋長度為50m時的壩前水頭值為165m;水平鋪蓋長度達到350m時的壩前水頭值下降至130m。在無防滲墻時,水平鋪蓋長度為50m時的壩內(nèi)水頭等值線高為91.9m;水平鋪蓋長度達到350m時的壩內(nèi)水頭等值線高為52.6m。在防滲墻深為18m時,水平鋪蓋長度為50m時的壩內(nèi)水頭等值線高為36.4m;水平鋪蓋長度達到350m時的壩內(nèi)水頭等值線高為-15.1m。在防滲墻深為30m時,水平鋪蓋長度為50m時的壩內(nèi)水頭等值線高為20.6m;水平鋪蓋長度達到350m時的壩內(nèi)水頭等值線高為-19.3m。

結(jié)果表明,研究方法能夠有效對水壩水位進行分析,同時表明水壩前方的水位受到水平鋪蓋長度的影響,較遠處的水平位置水位較低。對不同防滲墻深度情況下的滲流量進行分析,見圖4。

由圖4可知,堆石區(qū)和壩基的滲流量隨著水平鋪蓋長度的增加而減小。在堆石區(qū),無防滲墻時,水平鋪蓋長度為0m時的滲流量為1.04×10-4m3/s;水平鋪蓋長度上升至350m時的滲流量下降至3.1×10-5m3/s。防滲墻深18m時,水平鋪蓋長度為0m時的滲流量為4.4×10-5m3/s;水平鋪蓋長度上升至350m時的滲流量下降至0.6×10-5m3/s。防滲墻深30m時,水平鋪蓋長度為0m時的滲流量為3.0×10-5m3/s;水平鋪蓋長度上升至350m時的滲流量下降至0.6×10-5m3/s。

在壩基,無防滲墻時,水平鋪蓋長度為0m時的滲流量為3.85×10-5m3/s;水平鋪蓋長度上升至350m時的滲流量下降至1.51×10-5m3/s。防滲墻深18m時,水平鋪蓋長度為0m時的滲流量為2.18×10-5m3/s;水平鋪蓋長度上升至350m時的滲流量下降至0.36×10-5m3/s。防滲墻深30m時,水平鋪蓋長度為0m時的滲流量為1.64×10-5m3/s;水平鋪蓋長度上升至350m時的滲流量下降至0.36×10-5m3/s,表明研究方法能夠有效對水壩不同部位滲流量進行分析。

防滲墻能夠?qū)B流場產(chǎn)生有效影響,且水平鋪蓋對滲流量的影響能力存在上限,水平鋪蓋的最大有效長度為250m。對不同水平鋪蓋滲透系數(shù)的總水頭等值線分布進行分析,見圖5。

圖4 滲流量分析

圖5 總水頭等值線分布分析

由圖5可知,在滲透系數(shù)為1×10-3m/s時,上游水平鋪蓋基本不起防滲作用,所產(chǎn)生的滲流場分布情況與無水平鋪蓋情況相近,壩基下游和上游的水頭數(shù)據(jù)沒有明顯變化。當(dāng)滲透系數(shù)減小時,總水頭等值線分布開始分散,并逐漸向遠離壩體的方向移動。滲透系數(shù)為1×10-5m/s時,滲徑延長至187.5m,防滲墻下游的水頭等值線高度向下移動35.2m;滲透系數(shù)為1×10-7m/s時,滲徑延長至295m;滲透系數(shù)為1×10-9m/s時,滲徑延長至295.7m;在滲透系數(shù)達到1×10-7m/s之后,滲徑和防滲墻下游的水頭不再出現(xiàn)明顯變化。表明水平鋪蓋防滲措施能夠明顯增加壩前滲徑,研究方法能夠有效對不同工況的防滲效果進行分析。

3 結(jié) 論

針對混凝土面板堆石壩的維護,本文提出了一種防滲效果分析方法。結(jié)合實際項目數(shù)據(jù),對混凝土面板的開裂因素進行了研究,然后使用Comsol Multiphysics模擬仿真軟件進行建模仿真分析,并以簡化模型為基礎(chǔ)進行數(shù)值分析。結(jié)果表明,在防滲墻深為30m時,研究方法分析得到水平鋪蓋長度為50m時的壩前水頭值為165m;在滲流量分析中,壩基防滲墻深18m時的滲流量為2.18×10-5m3/s,表明研究方法能夠有效地對不同工況的面板防滲效果進行分析。