极限蓄水深度条件下水库堤坝内的水力特征研究

吴 昊

（广东水电云南投资有限公司,云南 蒙自 661100）

1 前言

小型水库能够在涝季储存少量水量,在旱季供给适当水源,因此,小型水库在降雨分布不均匀地区中的应用十分广泛。许多学者对小型水库堤坝工程开展了相关特性研究。张彦宾等[1]对水库堤坝在煤矿开采条件下的稳定性进行了研究。研究结果表明：限采措施的有效实施能够显著降低对试采工作面带来的堤坝变形危害,使其处于规程允许变形范围内。陆忠民等[2-3]对土工合成材料的抗冲性进行了研究。研究结果表明：在潮汐河口地区采用网兜石一类的土工合成材料能够有效抗击水流对临岸堤坝的冲击,显著改善堤坝的使用年限和运营效果。孙锋等[4]对堤坝劈裂问题的处理方法进行了研究。研究结果表明：坝体底部的劈裂发生时,灌浆浆液极大影响坝体结构的变形,显著减小其沉陷变形,为该方法在劈裂止漏中的应用提供了验证。程静等[5]采用Geostudio 软件中的多个内嵌动力分析模块对堤坝内的超孔压和力学特性进行了仿真分析,仿真结果表明：动荷载作用下,堤坝内部渗流零水位线会有0.2 m 的波动,不同土质的波动范围不一。

通过上述分析可知,相关学者对水库堤坝问题展开了大量研究。本文依托一小型水库蓄水工程,对用于局部区域水量储存的小型水库堤坝渗流特征进行了研究。主要采用Geostudio 软件的内嵌SEEP 模块进行建模和计算分析,通过设置相应的极限储水水位,对水库极限工作条件下的坝基性能进行分析和探讨。

2 工程概况

该水库蓄水工程堤坝剖面图见图1,水库堤坝竖向高度为14 m,顶部水平宽度为5 m；左侧临水库水面,垂直截面设计,右侧为变坡度截面设计；堤坝由上至下由三层组成,最上层为强夯土层,中间层为砂卵石层,最下层为混凝土层；各层材料的力学特征不同,其相关物理力学参数见表1。

表1 各层材料物理力学参数

图1 水库堤坝横剖面图

3 数值模拟

3.1 模型的建立

直接采用Geo-studio 软件中的模型创建模块对模型进行构建,构建根据第2 节中的堤坝剖面尺寸进行,首先对整体轮廓,根据图1,采用多边形建模方式构绘,然后采用切割工具对整体轮廓进行切割,以便将整体轮廓划分成三个区域,从而与实际堤坝的三个组成部分相一致,再根据图2,对各层材料进行相关的特征参数进行设置,同时设置极限蓄水水位为12 m,这一水位采用在模型左侧设置水压高度进行,最后进行计算分析,得出计算结果,并将计算结果导出。

图2 构建的堤坝模型

3.2 坝体总体水头变化

经过计算,最后获得的坝体内的压力水头分布特征,为了能够反映蓄水后,坝体内的总水头变化,以研究该坝体材料的设计是否合理,给出坝体内整体的总水头变化特征图,见图3。

图3 坝体内的总水头分布（单位：m）

结果表明当水库内达到极限蓄水水位12 m 时,堤坝内的压力水头变化整体呈现出,上部压力水头较小,下部压力水头较大,最上部的压力水头表现为负值,约为-4 m～-2 m；随着向下部运动变化,逐渐以多行平行斜线的方式增大,最下部临近水源处的压力水头为12 m,为最大压力水头值；堤坝右侧的压力水头介于0 m～-2 m 之间,表明该堤坝设计截面形式,有效阻隔了水库中水的水头差渗流运动；同时说明各层材料的设计及选取合理,压力水头从上至下的变化速率较为一致,等压力水头的斜线近似与右侧中部的斜坡坡率相同。

图3 所示为坝体内的总水头分布图。由图可知,当水库内达到极限蓄水水位12 m 时,堤坝内的总水头变化整体呈现出；左侧靠近蓄水水体部位的总水头较大,右侧下游远离蓄水水体部位的总水头较小,最右侧的总水头为0 m～2 m；表明该堤坝设计截面形式,有效阻隔了水库中水的总水头差渗流运动；同时说明各层材料的设计及选取合理,压力水头从左至右的变化速率较为一致,变化速率约为1.0（量纲为1）。总水头随着向左侧运动变化,逐渐增大,最左侧靠近蓄水水体部位的总水头较大为12 m,为最大总水头值；堤坝左侧的压力水头介于10 m～12 m 之间。与12 m 蓄水深度条件下的理论值相符。

3.3 坝体内水头变化

为了进一步有效揭示分层布置的坝体形式,水头在坝体内竖向方向的变化特征,特别绘制了相应的堤坝内水头的变化随着Y 值的变化趋势。当水库内达到极限蓄水水位12 m时,堤坝内Y 方向的水头,从堤坝下部至堤坝上部近似呈现出“S”型的变化趋势；下部随着高度的升高,变化缓慢；在中间段变化速率增大,堤坝顶部位置的升高幅度较小,堤坝下部的最小压力水头,约为10.5 m；最上部的最大压力水头,约为11.32 m,与静水压力的总体分布趋势一致,但总的变化速率较小,仅为0.067（量纲为1）。

为了进一步有效揭示分层布置的坝体形式对水库中水流的阻渗作用,图6 给出了相应的堤坝内水头的变化随着水平距离X 值的变化趋势。当水库内达到极限蓄水水位12 m 时,堤坝内X 方向的水头,从堤坝左侧至堤坝右侧近似呈现出直线型的变化趋势；坝体左侧水头最大,为12 m,至最右侧的20 m 位置处,水头最小,为1.5 m；表明该坝体设计形式下,水流在水平向X 方向上受到了较大的抗渗作用力,设计分层截面形式和各层的参数合理,水头的变化速率近似为0.6（量纲为1）。

4 结论

（1）堤坝的压力水头变化整体呈现出,上部压力水头较小,下部压力水头较大,堤坝右侧的压力水头介于0 m～-2 m 之间。堤坝内的水头沿着竖直Y 方向从堤坝下部至堤坝上部近似呈现出“S”型的变化趋势。

（2）堤坝总水头变化整体呈现出,左侧靠近蓄水水体部位的总水头较大,右侧下游远离蓄水水体部位的总水头较小,最右侧的总水头为0 m～2 m。堤坝内的水头沿着水平X 方向近似呈现出直线型的变化趋势。

（3）上述压力水头、总水头和堤坝内的水头沿着竖直Y方向和水平X 方向的变化结果均表明,该堤坝设计分层截面形式和各层的物理力学参数选取合理,在类似堤坝工程中可参考应用。