变坡度截面水利大坝在超高蓄水条件下的性能研究
时间：2023-06-25 19:10:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
章国才，熊志军
(湖北省汉江河道管理局 杜家台分洪闸管理分局，湖北 仙桃 433000)
水利工程大坝常被用于蓄水发电，拦截上游水流，防洪防涝，或用来调节市域间的水量分配。大坝的横截面形式与大坝高度及预期蓄水量有很大关系。许多学者对各类型水力大坝工程在设计、建造、运营期的安全稳定性进行了研究。谭峰屹[1]采用碾压试验方法，对爆破填筑料在施工中的最佳洒水量进行了研究。结果表明，洒水量在5%～10%时，爆破填筑料的压实量最好，孔隙率降到最低，达到最优力学性能状态。黄朝君等[2-3]对丹江口大坝40年运营以来出现的裂缝治理问题进行了分析，结果表明坝体裂缝的治理应分水下治理和水上治理两个部分综合开展，为了使加高后的大坝发挥加高价值，保证结构安全，应对处理后的裂缝进行跟踪监测。黄本忠等[4-5]对大坝运营期信息获取中易出现的各类问题进行了研究，结果表明通过建设大坝安全运营管理平台程序，能够较快获取大坝运营期的各方面不利信息。张翱等[6]通过总结现场加固工程的排险施工效果、施工情况与过程总结，对排险加固工程的设计和施工进行了分析讨论。结果表明，抓住枯水期这一有利时机开展加固及改进工程的施工，是对大坝主体建筑及其他附属设施工程进行升级改造的重要手段。王媛怡等[7]为避免大坝长期在有水环境中的水化学污染，对用于保护大坝混凝土表面的防护涂层的选择和性能特征进行了研究。结果表明，多种复合材料组成的复合涂料是当前广泛采用和今后混凝土表面涂层材料的重要发展方向。陈昂等[8-9]对水库大坝建设的各阶段工程中，与各阶段工程相关的生态文明建设进行了研究。结果表明，在建设各阶段工程中，生态文明建设实施的方式和途径不一。具体实施时，应加强各阶段工程生态文明建设实施过程之间的联系。尹正宇等[10-11]研究了西藏旁多水利枢纽工程后期运营中所运行的一套安全监测自动化系统运行情况。结果表明，该自动监测系统适用于高海拔地区的大坝运营期的稳定性监测。
本文依托长江支流的某水利大坝工程，开展变坡度截面的大坝设计形式在超高蓄水水位条件下的稳定和相关水力特性研究，采用Geo-Studio软件对变坡度截面设计的下游端大坝形式的性能进行研究。
该实体变坡度截面大坝位于我国长江支流，大坝采用混凝土修筑，大坝形式为重力式大坝，上游端采用垂直的截面形式，下游端为由缓至陡的变坡度截面形式，大坝的修建对于防治洪灾、涝灾至为关键，大坝具体横断面形式见图1。大坝垂直截面由底至顶总高约20m，大坝底部总长约37m。大坝从下至上由4种材料组成，最下层为C40混凝土，向上依次为砂卵石质黏土层、碎石土层、夯实黏土层。各层材料的物理力学性能见表1。
图1 实体大坝横断面图
表1 各层材料物理力学参数
3.1 模型的建立
Geo-Studio软件在建模方面有着良好的用户交互界面，十分便捷，为建立各类工程模型提供了方便。本文采用模块化建模方式，从下至上依次按照各层高度和多边形形式对坝体进行模型构建。根据图1，先将最下层大坝轮廓绘制出来，然后再建立其上层大坝坝基，依次构建，直至整个模型构建完成，见图2。为了模拟大坝模型图，图2与图1中的大坝原始模型一致。
图2 构建的大坝模型图
3.2 大坝的水力分布
为了说明坝体设计的安全性，分别绘制坝体内的饱和度分布图、坝体内的X方向水力传导度、坝体内的压力头偏差图、坝体内的水通量图。
3.2.1 大坝内的饱和度变化
为了研究超高蓄水水位条件下的大坝坝基内饱和度变化特征，绘制并导出大坝内的饱和度变化云图，见图3。
图3 大坝内的饱和度变化云图
由图3可知，设置超高蓄水水位条件下，经过模拟计算，大坝坝基内的饱和度变化特征总体呈现沿深度方向逐渐增大，最小饱和度为0.74，最大饱和度为0.98。从饱和度沿上游坝基的分布可以看出，最大饱和度分布区占大坝截面的几乎全部高度，高约18m。而从上游向下游沿水平方向，饱和度也呈现逐渐减小的变化趋势，总体变化速率、梯度一致，约为1.44/m。可以看出，下游最大饱和度分布区约占1/4坝基高度，最大饱和度小于1，表明该坝基设计形式和材料选择合理，且有效阻断了水流向下游的渗流运动。
3.2.2 X方向水力传导度特征
经过数值模拟计算后，绘制并导出坝体内的X方向水力传导度图，见图4。
由图4可知，设置超高蓄水水位条件下，经过模拟计算，大坝坝基内的X方向水力传导度变化特征总体呈现沿深度方向逐渐增大，最小X方向水力传导度为2e-7m/s，最大X方向水力传导度为2.4e-6m/s。从X方向水力传导度沿上游坝基的分布可以看出，最大X方向水力传导度占大坝截面的几乎全部高度，高约17.9m。而从上游向下游沿水平方向，X方向水力传导度也呈现逐渐减小的变化趋势，总体变化速率、梯度呈现靠近最大值位置范围内的区域大，约1e-7m/s；
随着与最大值位置的距离逐渐变大，X方向水力传导度的变化速率也逐渐变小，最小约2e-9m/s。
图4 大坝X方向水力传导度
3.2.3 大坝的压力头偏差
坝体内压力头偏差图见图5。
图5 坝体内压力头偏差图
由图5可知，设置超高蓄水水位条件下，经过模拟计算，大坝坝基内的压力头偏差总体呈区域性不规则分布特征，最小压力头偏差4e-3m，最小压力头偏差分布区域位于坝体最上端位置；
最大压力头偏差为2e-3m，最大压力头偏差分布区域位于上游坝体最下端位置。总体变化速率、梯度呈现靠近最大值位置范围内的区域大，约为1e-4(量纲为1)；
随着与最大值位置的距离逐渐变大，压力头偏差变化速率也逐渐变小，最小约为1e-5(量纲为1)。
3.2.4 水流传导率特征
坝体内的水通量图见图6。
图6 坝体内的水通量图
由图6可知，设置超高蓄水水位条件下，经过模拟计算，大坝坝基内的水通量图变化特征总体呈现从上游至下游方向逐渐减小的变化趋势，最小水通量为-2.6e-6m3/s·m2，最大水通量为8e-7m3/s·m2。从水通量沿上游坝基的分布可以看出，最小水通量占大坝截面的几乎全部高度，高约17.8m。而从上游向下游沿水平方向，水通量呈现逐渐减小的变化趋势，总体变化速率、梯度呈现靠近最小值位置范围内的区域变化速率大，约为6e-7 m3/s·m3；
随着与最大值位置的距离逐渐变大，水通量变化速率也逐渐变小，最小约为1e-10 m3/s·m3。
1)大坝坝基内最小X方向水力传导度为2e-7m/s，最大X方向水力传导度为2.4e-6m/s，变化速率最大约为1e-7m/s，最小约为2e-9m/s。
2)大坝坝基内的压力头偏差总体呈现区域性不规则分布特征，最小压力头偏差为4e-3m，最大压力头偏差为2e-3m；
压力头偏差变化速率最大约为1e-4(量纲为1)，最小约为1e-5(量纲为1)。
3)坝基下游最大饱和度分布区约占1/4坝基高度，最大饱和度小于1，表明该坝基设计形式和材料选择合理，且有效阻断了水流向下游的渗流运动，可为类似坝基工程的设计提供参考。
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