结合三维算例分析技术的混凝土面板堆石坝面板防渗效果研究

徐智谋

(中国重型机械有限公司,北京 100070)

0 引 言

在现代工程建设中,混凝土面板堆石坝作为一种重要的水工结构,其防渗性能对于工程的安全运行至关重要[1]。然而,由于混凝土面板堆石坝的工作环境复杂多变,其面板防渗效果受到多种因素的影响,如地质条件、施工工艺、材料性能等[2]。因此,对不同工况下混凝土面板堆石坝的面板防渗效果进行研究,对于提高工程的安全性和经济效益具有重要的理论和实践意义[3]。

目前,混凝土面板堆石坝的防渗效果一般通过静态监测方法来评估。这些方法主要依赖于有限数量的监测点,无法提供全局的数据,对于不同工况的防渗效果无法进行分析,存在一定局限性[4]。通过开裂因素分析,可以识别可能导致混凝土面板堆石坝开裂和渗漏的关键因素,有助于深入分析问题的根本原因。并在此基础上进行建模仿真分析,可以全面考虑多个物理因素,模拟混凝土面板堆石坝在不同工况下的工作状态,有助于提前识别问题并采取相应措施[5]。

Comsol Multiphysics是一种多物理场仿真软件,可用于模拟多个物理现象,如热传导、渗流、力学等,其软件特点与堆石坝的面板防渗效果研究需求相符合。在该背景下,本文提出针对不同工况的混凝土面板堆石坝面板防渗效果研究方法,将多物理场仿真软件应用于混凝土面板堆石坝面板开裂及渗流数值模拟中,以期为水利工程建设提供可行的技术参考。

1 混凝土面板堆石坝面板开裂及渗流数值模拟方法设计

1.1 混凝土面板堆石坝面板开裂因素分析

混凝土面板堆石坝是由堆石体和防渗系统构成的坝体结构,其中防渗系统由钢筋混凝土面板、趾板等结构组成[6-7]。良好的防渗效果不仅可以保证大坝的安全,还可以避免水资源的浪费,确保下游的供水需求得到满足[8-9]。针对混凝土面板堆石坝面板开裂及渗流数值进行模拟,能够为堆石坝工程的安全维护提供更多技术保障,提升大坝的经济效益[10-11]。

研究首先对混凝土面板堆石坝面板的开裂因素进行分析。在进行开裂分析时,以现有坝体开裂案例作为参考信息,对坝高、面板厚度、裂缝宽度深度长度、裂缝走向、裂缝位置以及裂缝形成因素进行分析。混凝土面板开裂主要表现为非结构性裂缝和结构性裂缝两类。

非结构性裂缝主要由干缩应力、温度应力和湿度变化引起,主要来自内部应力和坝体自身的收缩。干缩应力是坝体内混凝土发生湿度变化而产生的,混凝土在完成拌和后含有一定水分,随着时间流逝,部分水分被蒸发,导致混凝土有效体积变小。混凝土的干缩属于自然现象,受混凝土成分配比和内部结构约束的影响。温度应力主要由外界气温变化、混凝土内部化学反应导致。混凝土在浇筑时,内部化学反应会导致混凝土内部保持较高温度,完成化学反应后温度骤降,导致混凝土出现形状变化趋势。当外界温度出现突然变化时,混凝土表面温度发生快速变化,混凝土内部和表面出现较大温差,所产生的拉应力超过面板可承受应力上限,导致面板出现开裂情况。

结构性裂缝主要来自坝体的不均匀沉降和地质地形影响,堆石坝在修建时的分期填筑工艺会导致坝体出现不均匀的沉降现象,面板在这种情况下的变形不均匀,进而出现结构性裂缝。堆石坝中使用的堆石体在长期工作时会出现流变变形,使面板脱空出现裂缝。在坝体工作时,坝体浸润线以上部分的材料会因浸润线上升出现湿化作用,出现沉降,进而产生坝体裂缝。因为坝体工程的特殊性,堆石坝一般被建造在复杂地质区域,复杂地质结构对坝体施加的应力导致坝体出现结构性裂缝。

1.2 结合水压力分析的面板开裂数值模拟方法

水下裂缝的入水口压力受到所处水深高度的影响,导致裂缝内部的渗流受到不用程度水压影响,使流速和渗流量的参数发生变化,渗流场的分布情况也受到影响[12-13]。在对面板开裂数值进行模拟时,综合水压力情况进行分析[14]。进行数值模拟时,使用Comsol Multiphysics模拟仿真软件进行建模仿真分析。进行数值计算前,选取代表水压范围和代表裂缝宽度,暂不进行不同裂缝深度的分析,并假定面板已被贯穿[15]。以开裂宽度和深度作为基础数据,建立简单的二维裂缝模型,并进行网格剖分,获取边单元和域单元。通过流量和入水口水压的关系式对裂缝进行构建,公式如下:

Q=a·Pb

(1)

式中:Q为裂缝通过流量,m3/s;P为入水口水压,MPa;a、b均为拟合参数。

当水流流动状态符合达西定律时,通过流量与水力梯度的关系如下:

Q=KAJ

(2)

式中:K为渗透系数;A为过流面积,m3;J为水力梯度,Pa/m。

引入裂缝深度参数,生成渗透系数计算式,公式如下:

式中:d为裂缝深度,也可作为渗径长度,m;n、m均为渗透系数拟合参数。

在建立三维算例模型时,对算例模型进行简化,将网格密度设置为相同参数,并通过八节点六面体的形式进行划分。所构建的模型主要包含坝体两岸基岩、垫层、防渗墙、堆石体和面板部分。构建的三维算例模型见图1。

图1 坝体三维算例模型

图1中,所构建的三维算例模型设置水流方向为模型空间Y轴正方向,设置河流左岸到右岸方向为X轴正方向,设置大坝基岩最低点为Z轴起点,沿地面向上为Z轴正方向。X轴涉及的尺寸参数主要为坝体两岸岩体宽度和坝体宽度;Y轴涉及的尺寸参数主要为上下游段河床长度和坝体最大截面长度;Z轴涉及的尺寸参数主要为大坝高、基岩厚度和覆盖层厚度。

计算时,在坝体上游加入长度为200m的水头,在坝体下游加入长度为120m的水头,不考虑地下水边界,设置两岸岩体外侧为不透水边界。

模型运行时,需输入不同部位的渗透系数为计算参数。设置0～0.15MPa、0.15～0.48MPa、0.48～0.80MPa、0.80～1.01MPa共4个水压梯度范围,分别对应不同水位高度范围。

1.3 不同连接方式防渗墙渗流数值模拟方法

面板堆石坝是一种用堆石或砂砾石分层碾压填筑成坝体,同时采用混凝土面板作为防渗体的坝型结构。防渗系统由钢筋混凝土面板、趾板、趾板地基的灌浆帷幕、周边缝和面板间的接缝止水组成。面板位于堆石坝体上游面,起到防渗作用。在进行防渗墙渗流数值模拟时,需要对连接板、趾板、混凝土面板和防渗墙进行考虑。面板是堆石坝的关键部分,位于堆石坝体的上游表面,用作防止水流渗入的防渗体,其强度和耐用性直接决定了堆石坝的使用寿命。趾板是连接面板和堆石坝体的构件,不仅支撑面板,也负责将水压力传递到堆石坝体上。因此,趾板需要具有足够的强度和稳定性,能够承受来自面板和堆石坝体的压力。连接板是用于连接相邻两块面板的结构件,以确保整个面板结构在受到外力作用时能保持整体稳定,减少因温度变化或地震等外力导致的裂缝产生。

防渗墙是修建在松散透水层或土石坝(堰)中起防渗作用的地连续墙,通过向地基中注入一定浓度的水泥浆液,形成一道连续的防水屏障,从而阻止水的渗透。防渗墙一般有刚性连接和柔性连接两种连接方式。刚性连接方式设置连接梁,将混凝土灌桩和防渗墙进行连接,混凝土连接梁上方与趾板和连接板相连接。柔性连接使用柔性止水和连接板,将趾板与防渗墙连接为一体,趾板和面板之间设置有柔性止水,连接板和趾板安装在覆盖层之上。针对防渗墙的结构,将数值模拟时使用的模型进行简化,见图2。

图2 防渗墙简化模型

由图2可知,在未进行简化时,刚性连接模型主要含有两层防渗墙、连接梁和趾板结构;柔性连接模型主要含有防渗墙和趾板结构。在进行简化时,从防渗目的出发,省略连接板和趾板结构,仅保留防渗墙,并将面板结构前移与防渗墙相连接。所建立的三维网格模型仅截取整个坝体的一个坝段,其中包含防渗墙、垫层、面板、覆盖层和堆石体部分。进行模拟时,结合材料渗透系数和防渗墙开裂位置,对渗流场情况进行分析。

2 混凝土面板堆石坝面板开裂及渗流数值模拟方法有效性分析

为了对研究设计的开裂及渗流数值模拟方法在对混凝土面板堆石坝面板进行分析时的有效性进行分析,选取一座正常蓄水位800m的混凝土面板堆石坝工程进行应用分析。该工程死水位795m,坝顶宽10.0m,坝顶长348.2m,最大坝高111.0m,上游坡比1∶1.4,覆盖层厚度44～48m。坝体结构由下到上分别为次堆石区、主堆石区、过渡层、垫层和面板,混凝土防渗墙被设置在坝体上游位置。设置坝体材料参数见表1。

表1 坝体材料参数

对不同水平铺盖长度下的坝前水头值和坝内水头等值线高度变化进行分析,见图3。

图3 坝前水头值和坝内水头值等高线变化

由图3可知,在不同防渗墙深度情况下,坝前水头值和坝内水头等值线高都随着水平铺盖长度变大而下降。在无防渗墙时,水平铺盖长度为50m时的坝前水头值为155m;水平铺盖长度达到350m时的坝前水头值下降至140m。在防渗墙深为18m时,水平铺盖长度为50m时的坝前水头值为155m;水平铺盖长度达到350m时的坝前水头值下降至130m。在防渗墙深为30m时,水平铺盖长度为50m时的坝前水头值为165m;水平铺盖长度达到350m时的坝前水头值下降至130m。在无防渗墙时,水平铺盖长度为50m时的坝内水头等值线高为91.9m;水平铺盖长度达到350m时的坝内水头等值线高为52.6m。在防渗墙深为18m时,水平铺盖长度为50m时的坝内水头等值线高为36.4m;水平铺盖长度达到350m时的坝内水头等值线高为-15.1m。在防渗墙深为30m时,水平铺盖长度为50m时的坝内水头等值线高为20.6m;水平铺盖长度达到350m时的坝内水头等值线高为-19.3m。

结果表明,研究方法能够有效对水坝水位进行分析,同时表明水坝前方的水位受到水平铺盖长度的影响,较远处的水平位置水位较低。对不同防渗墙深度情况下的渗流量进行分析,见图4。

由图4可知,堆石区和坝基的渗流量随着水平铺盖长度的增加而减小。在堆石区,无防渗墙时,水平铺盖长度为0m时的渗流量为1.04×10-4m3/s;水平铺盖长度上升至350m时的渗流量下降至3.1×10-5m3/s。防渗墙深18m时,水平铺盖长度为0m时的渗流量为4.4×10-5m3/s;水平铺盖长度上升至350m时的渗流量下降至0.6×10-5m3/s。防渗墙深30m时,水平铺盖长度为0m时的渗流量为3.0×10-5m3/s;水平铺盖长度上升至350m时的渗流量下降至0.6×10-5m3/s。

在坝基,无防渗墙时,水平铺盖长度为0m时的渗流量为3.85×10-5m3/s;水平铺盖长度上升至350m时的渗流量下降至1.51×10-5m3/s。防渗墙深18m时,水平铺盖长度为0m时的渗流量为2.18×10-5m3/s;水平铺盖长度上升至350m时的渗流量下降至0.36×10-5m3/s。防渗墙深30m时,水平铺盖长度为0m时的渗流量为1.64×10-5m3/s;水平铺盖长度上升至350m时的渗流量下降至0.36×10-5m3/s,表明研究方法能够有效对水坝不同部位渗流量进行分析。

防渗墙能够对渗流场产生有效影响,且水平铺盖对渗流量的影响能力存在上限,水平铺盖的最大有效长度为250m。对不同水平铺盖渗透系数的总水头等值线分布进行分析,见图5。

图4 渗流量分析

图5 总水头等值线分布分析

由图5可知,在渗透系数为1×10-3m/s时,上游水平铺盖基本不起防渗作用,所产生的渗流场分布情况与无水平铺盖情况相近,坝基下游和上游的水头数据没有明显变化。当渗透系数减小时,总水头等值线分布开始分散,并逐渐向远离坝体的方向移动。渗透系数为1×10-5m/s时,渗径延长至187.5m,防渗墙下游的水头等值线高度向下移动35.2m;渗透系数为1×10-7m/s时,渗径延长至295m;渗透系数为1×10-9m/s时,渗径延长至295.7m;在渗透系数达到1×10-7m/s之后,渗径和防渗墙下游的水头不再出现明显变化。表明水平铺盖防渗措施能够明显增加坝前渗径,研究方法能够有效对不同工况的防渗效果进行分析。

3 结 论

针对混凝土面板堆石坝的维护,本文提出了一种防渗效果分析方法。结合实际项目数据,对混凝土面板的开裂因素进行了研究,然后使用Comsol Multiphysics模拟仿真软件进行建模仿真分析,并以简化模型为基础进行数值分析。结果表明,在防渗墙深为30m时,研究方法分析得到水平铺盖长度为50m时的坝前水头值为165m;在渗流量分析中,坝基防渗墙深18m时的渗流量为2.18×10-5m3/s,表明研究方法能够有效地对不同工况的面板防渗效果进行分析。