于秋梅

(黑龍江省青岡縣水務(wù)局,黑龍江 青岡 151600)

1 數(shù)值模型

1.1 模型概述

某水利樞紐工程最大壩高23.5 m,壩寬3.5 m。大壩壩身采用混凝土澆筑。壩體表面鋪設(shè)有防滲面板。水庫最大泄流量為1350.0 m3/s。

為保證大壩增設(shè)防滲墻不會對水庫的安全性造成影響,本文重點分析防滲墻設(shè)計參數(shù)對地下滲流場的影響。根據(jù)實際工程,本文模型考慮防滲墻深度不小于壩基的1/3,且不超過溢流面階梯段長度的2/3。據(jù)此建立數(shù)值分析模型,整個模型的計算長度為50.0 m,寬度為25.0 m,高度為20.0 m。數(shù)值模型中網(wǎng)格劃分均采用四邊形單元。巖土體本構(gòu)為摩爾-庫倫模型。為了模擬防滲墻和巖土體的接觸,本文在兩者之間設(shè)置了Goodman接觸單元。最終模型的網(wǎng)格總數(shù)為22 300個,節(jié)點單元為261 223個。模型典型斷面圖見圖1所示。計算中假定防滲墻的滲透系數(shù)為1×10-9m/s。模型的頂部和底部均為自由,側(cè)向約束水平方向的位移。水位工況為保持上游水位18.0 m。考慮本文研究內(nèi)容,在計算工況的選取中,防滲墻深度選擇5.0～16.0 m。防滲墻厚度選為0.5～3.0 m。

圖1 大壩防滲墻網(wǎng)格

1.2 數(shù)值計算模型參數(shù)

根據(jù)室內(nèi)土工試驗及參考相關(guān)類似材料研究,匯總得到本文數(shù)值計算各材料的物理力學(xué)參數(shù)見表1所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 防滲墻深度對地下滲流場影響

圖2是防滲墻深度與水頭差的關(guān)系。結(jié)果表明，大壩上游、防滲墻及大壩下游的水頭差隨防滲墻的深度增大而逐漸減小。在上游側(cè)水頭差的分布主要集中于3.5～7.6 m；而下游側(cè)水頭差的分布比上游顯著降低了42.0%～47.0%。具體來看，對于大壩上游水頭差，當(dāng)防滲墻深度分別為5.5 m、7.5 m、9.5 m、11.5 m、13.5 m和15.5 m工況時，對應(yīng)的水頭差分別為7.6 m、6.1 m、4.7 m、3.8 m、3.6 m和3.5 m。說明由于墻的阻水作用，該位置及下游側(cè)滲流區(qū)水流均為平靜狀態(tài)，因此水頭差較小。此外，隨著防滲墻深度的逐漸增大，各位置水頭差均有所降低，但降低速率越來越小。尤其是當(dāng)防滲墻深度>11.5 m時，水頭差在各工況下平均降幅僅為0.4%。綜合來看，一味地增大防滲墻深度對于提高結(jié)構(gòu)防滲效果并不明顯。根據(jù)本文的研究工況來看，防滲墻深度11.5 m為最優(yōu)深度。

圖2 防滲墻深度與水頭差的關(guān)系

圖3是防滲墻深度與流速的關(guān)系。結(jié)果表明，流速最大的位置位于壩底。流速分布區(qū)間介于1.6～2.9 cm/s。此外，壩底的流速隨防滲墻的深度增大而先保持穩(wěn)定隨后增大，而防滲墻墻底的流速隨防滲墻深度的增大而先減小后增大。壩底流速在防滲墻深度>11.5 m時顯著增大，深度為13.5 m和15.5 m時分別比深度11.5 m增大了27.0%和77.0%。當(dāng)防滲墻深度為11.5 m時，防滲墻底流速最小為0.5 cm/s，而深度為5.5～11.5 m時，流速平均增大了110.0%以上。

圖3 防滲墻深度與流速的關(guān)系

2.2 防滲墻厚度對地下滲流場影響

圖4是防滲墻厚度與水頭差的關(guān)系。結(jié)果表明，大壩上游、防滲墻及大壩下游的水頭差隨防滲墻的厚度增大而逐漸減小。這一規(guī)律與圖2和圖3規(guī)律基本相同。其中大壩上游的水頭差最大，分布區(qū)間為4.0～9.0 m。當(dāng)防滲墻厚度為0.5 m時，水頭差為6.0 m。與防滲墻厚度為1.5 m、2.5 m和3.0 m相比，顯著降低了50.0%、52.0%和52.0%。此外，當(dāng)防滲墻厚度>1.5 m時，防滲墻厚度增大對水頭差的影響程度越來越小。因此，一味地考慮增大防滲墻厚度對提高防滲效果并不經(jīng)濟[1-2]。綜合本文結(jié)果來看，防滲墻厚度為1.5 m時最優(yōu)。

圖4 防滲墻厚度與水頭差的關(guān)系

圖5是防滲墻厚度與流速的關(guān)系。結(jié)果表明，流速最大的位置位于壩底。流速分布區(qū)間介于2.9～3.4 cm/s。此外，防滲墻底的流速隨防滲墻的厚度增大而先減小后保持不變，而壩底的流速隨防滲墻厚度的增大而先減小后增大。綜合來看，當(dāng)防滲墻厚度為0.5～1.5 m時，壩底的流速平均降低了25.0%，而厚度為1.5～3.0 m時，流速平均增大24.0%。因此，當(dāng)防滲墻厚度增大至一定區(qū)間內(nèi)，墻的防滲效果顯著提高，但過大的防滲墻厚度會導(dǎo)致墻體部位出現(xiàn)繞流，水流紊亂，造成墻底的局部沖刷[3]。綜合防滲墻厚度與水頭差的關(guān)系以及防滲墻厚度與流速的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，防滲墻厚度為1.5 m時最優(yōu)。

圖5 防滲墻厚度與流速的關(guān)系

2.3 防滲墻底部滲流坡降變化規(guī)律

圖6是防滲墻底部滲流坡降與防滲墻深度的關(guān)系。結(jié)果表明，相同防滲墻厚度下，防滲墻底部滲流坡降隨深度的增大而減小，而相同深度下，防滲墻厚度越小，防滲墻底部滲流坡降越大。在防滲墻厚度為0.5 m，防滲墻底部滲流坡降達到最大，最大值為58。顯然，過當(dāng)增加防滲墻的深度是不經(jīng)濟的。尤其是當(dāng)深度>11.5 m時，滲流坡降變化速率有所增大。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是，隨深度的增大，防滲墻底端的水流通道體積減小，從而導(dǎo)致滲流速度變大，進而導(dǎo)致局部水頭損失的滲流坡降上升。尤其是當(dāng)防滲墻深度足夠大，接近于弱風(fēng)化基巖時，滲透坡降變化速率明顯發(fā)生突變[4]。綜合本文的分析，防滲墻深度11.5 m最優(yōu)。

圖6 防滲墻底部滲流坡降與深度的關(guān)系

3 結(jié) 論

(1)大壩上游、防滲墻及大壩下游的水頭差隨防滲墻的深度增大而逐漸減小。在上游側(cè)水頭差的分布主要集中于3.5～7.6 m；而下游側(cè)水頭差的分布比上游顯著降低了42.0%～47.0%。隨著防滲墻深度的逐漸增大，各位置水頭差均有所降低，但降低速率越來越小。綜合來看，一味地增大防滲墻深度對于提高結(jié)構(gòu)防滲效果并不明顯。根據(jù)本文的研究工況來看，防滲墻深度為11.5 m為最優(yōu)深度。

(2)大壩上游、防滲墻及大壩下游的水頭差隨防滲墻的厚度增大而逐漸減小。其中大壩上游的水頭差最大，分布區(qū)間為4.0～9.0 m。當(dāng)防滲墻厚度為0.5 m時，水頭差為6.0 m。當(dāng)防滲墻厚度>1.5 m時，防滲墻厚度增大對水頭差的影響程度越來越小。綜合本文結(jié)果來看，防滲墻厚度為1.5 m時最優(yōu)。

(3)相同防滲墻厚度下，防滲墻底部滲流坡降隨深度的增大而減小，而相同深度下，防滲墻厚度越小，防滲墻底部滲流坡降越大。在防滲墻厚度為0.5 m，防滲墻底部滲流坡降達到最大，最大值為58。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是，隨深度的增大，防滲墻底端的水流通道體積減小，從而導(dǎo)致滲流速度變大，進而導(dǎo)致局部水頭損失的滲流坡降上升。