混凝土面板坝渗流分析方法初探_盛金保

混凝土面板坝渗流分析方法初探a盛金保,李　雷(南京水利科学研究院,水利部大坝安全管理中心,江苏南京　210029)摘要:对混凝土面板坝的渗流分析方法,重点是面板与高挡墙底板间水平接缝止水破坏后的渗流分析方法进行了

探讨,可供面板坝设计参考.

关键词:混凝土面板坝;渗流;分析方法

中图分类号:TV641.43 文献标识码:A 文章编号:1001-3962(2000)02-0039-05

混凝土面板堆石坝是近二三十年内发展起来的一种新坝型,因其具有断面小(与土坝相比)、就地取材、施工导流简便、工期短和造价低等优点,已在世界范围内得到迅速推广.我国目前已建成或正在修建的面板坝有50多座.最大坝高达180m.由于混凝土面板坝的发展历史尚短,而且堆石坝体具有较高的强度,可以维持较陡的边坡,粗颗粒形成的骨架能很好地保持其渗透稳定性,因此在1993年青海省沟后水库钢筋混凝土面板砂砾石坝溃决之前,国际上尚无一例面板坝因整体失稳或渗漏破坏而导致大坝溃决的实例.迄今为止,面板坝的设计基本上是经验性的,采用工程类比的经验方法为多,很少进行分析计算,即使做了计算分析,也仅作为参考.这主要是由于现有的面板坝计算理论还不够成熟和完善.面板坝的计算理论包括稳定、变形、应力变及渗流分析等四个部分,沟后坝的溃决与这几方面都有直接联系.沟后面板坝失事的惨痛教训表明,面板坝(特别是用弱透水材料填筑坝体的面板坝)的建设仅停留在经验水平上是不够的,应在前人工作的基础上,继续发展和完善面板坝的设计计算方法,使其更加合理.对于堆石或卵、砾石面板坝,因其坝体透水性极强,以及对于坝内有竖向有效排水系统的面板坝,因渗水进入坝体后排水十分通畅,均不会形成高浸润面,大部分坝体无孔隙水压力和渗流作用.本文主要针对用弱透水材料(砂砾,含泥石渣、卵砾石,含细粒多的风化料等)填筑的、且未设竖向排水的面板坝渗流计算方法进行探讨,重点对面板与高挡墙底板水平接缝止水破坏后的渗流进行分析.

1　正常运行条件下的面板坝渗流分析正常运行情况下的面板坝的渗流分析,主要是对面板缝隙产生的渗漏计算.研究表明[1],当面板厚度tp(即入渗渗径)与缝隙宽度b之比(tp/b)<3～4时,通过缝隙的水头损失为零,即可忽略缝隙水头损失.这时,由于垫层具有半透水性,几乎90%以上的水头损失都集中在垫层区,垫层区控制着渗流量.计算结果表明,此时缝隙的宽度对渗流量影响很小.当(tp/b)>3～4时,通过缝隙的水头损失不可忽略,此时,缝隙的几何尺寸及缝面糙率将对渗流起控制作用.钢筋混凝土面板的厚度一般大于30cm,而大量的观测资料表明[1],面板的裂缝宽度为毫米量级.如国内多座面板坝中,以小干沟坝的面板裂缝宽度最大,也仅为2mm.面板的接缝,特别是周边缝的张开宽度一般较大,最大可达10cm左右.即使如此,在止水失效情况下,仍可基本满足(tp/b)>3～4的条件,故假定:¹

第2期2000年6月南京水利科学研究院水利水运科学研究JOURNALOFNANJINGHYDRAULICRESEARCHINSTITUTENo.2Jun.2000

a收稿日期:1999-06-24作者简介:盛金保(1966-),男,安徽青阳人,工程师,硕士,主要从事大坝安全评价、监测与管理工作.缝隙的几何尺寸及缝面糙率对渗流起控制作用;º坝体内渗流属层流运动,即满足达西定律;»堆石体各料区均质;¼基岩相对不透水;½面板除缝隙外相对不透水.因此,可以近似地认为,通过面板缝隙的渗流量就是整个坝体的渗流量.根据C.路易斯的研究,当水流通过粗糙裂缝且为层流时,其流速[1]

v=gb212T11+8.8(K/Dn)1.5i(1)式中:K为裂缝表面的绝对粗糙度(即粗糙高度);裂缝的水力直径Dn=2b;b为裂缝宽度;k/Dn为相对粗糙度(对于光滑缝面为0,当粗糙高度等于裂缝宽度时为0.5);g为重力加速度;T为水的运动粘滞系数;i为裂缝渗流水力比降,近似为作用水头与面板厚度之比.故通过单位长度裂缝的渗透量为

qf=gb312T11+8.8(K/Dn)1.5i(2) 若相对粗糙度K/Dn=0.5,水温为20℃,则式(2)可简化为qf=2×105b3i(3) 现取单位长度坝体作为分析对象,分段建立各坝区的流量方程,计算简图见图1.

图1　渗透流量计算简图Fig.1　Calculatingchartforseepagedischarge

通过面板的渗流量q=∑lnb3nin×105(4)式中:ln为相应于缝宽为bn的缝隙总长;in为裂缝渗流水力比降,并按下式计算:

in=H1-h1

tpx

(x≤L1)

H1-xtanA1

tpx

(x>L1)

式中:H1,h1分别为面板上、下游水深;A1为面板坡角;tpx为(x,xtanA1)处的面板厚度.通过垫层区的渗流量按下式计算[1]:

q=k11+m21(h21-h22-b2scos2A1sin2A12bssinA1)(5)式中:m1,A1分别为垫层区的坡度系数和坡角;h1,h2分别为垫层区上、下游水深;k1为垫层区渗透系数;bs为垫层厚度.通过坝身的渗流量按下式计算[2]:

q=k(h2-H2)2L-m2H2+(L-m2H2)2-m22(h2-H2)2+k(h2-H2)H2L-0.5m2H2+k0(h2-H2)TL+m1h2+0.88T(6)

式中:H2为下游水深;T为坝基覆盖层厚度;m2为下游坝坡坡度系数;k为主堆石区渗透系数;k0为坝基覆

40 水　利　水　运　科　学　研　究 2000年6月盖层渗透系数.联立解式(4)～(6),便可求得q,h1和h2.渗透逸出高度h0可按下式计算[2]:

h0-H2=qkm2+0.51+(m2+0.5)H2

(m2+0.5)(h0-H2)+m2H2

2(m2+0.5)+

k0T

(m2+0.5)(h0-H2)+m2H2+0.44T

k>k0

qkm21+(m2+0.5)H2(m2+0.5)(h0-H2)+0.5H2+k0Tm2k0+0.44T

k≤k0

(7)

坝体内的浸润线计算式[2]为x=-k0Ty-h0q′+ky2-h202q′(8)

其中:q′=kh22-h202(L+m12m1+1h2-m2h0)+k0Th1-h0

L+m2h1-m1h0

也可采用有限单元法对面板坝进行渗流分析.此时,只需将缝隙简化为水头边界或流量边界:当(tp/b)<3～4时,忽略通过缝隙的水头损失,将缝隙简化为一条线,水头通过该线直接作用在垫层上;当(tp/b)>3～4时,将缝隙处理成流量边界,作用在垫层上的流量按式(2)或式(3)计算.有限元分析方法的支配方程为:55x(kx5h5x)+55y(ky5h5y)+55z(kz5h5z)=0(9)

边界条件为:水头边界:hûS1=f1(x,y,z);流量边界:hûS2=f2(x,y,z)式中:h(x,y,z)为水头分布函数;kx,ky,kz分别为以x,y,z轴为主轴方向的渗透系数;f1(x,y,z)为渗流域边界上的水头分布函数;f2(x,y,z)为渗流域边界上的流量分布函数.

2　高挡墙底板与面板间水平接缝止水破坏后的坝体渗流分析高挡墙底板与面板间的水平接缝止水遭到破坏后,当库水超过该缝高程时,将成为重要的渗流通道.面板与高挡墙水平接缝位于坝顶,张开变形较大,同时缝两边的相对沉降量也较大,致使过缝渗径变短.例如,沟后水库大坝面板与高挡墙水平接缝张开宽度b=6cm,缝两边的相对沉降差$s=14cm,而顶部面板与高挡墙底板厚tp=30cm,故过缝渗径l=tp-$s=16cm,l/b=2.67<3～4,接缝水头损失可忽略.顶部面板与高挡墙底板间的相对沉降量过大,还会造成接缝下的局部区域垫层受剪切作用而破坏,起不到控制渗流的作用.所以,计算分析中可将该缝视为一条等水头线性边界,库水通过该缝直接作用于主堆石区.由于接缝下的局部区域垫层因剪切变形过大遭到破坏,能承受的作用水头可能很小,使得其下游部分范围内的主堆石区内渗流不再满足达西定律.但对主堆石区为弱透水材料的面板坝来说,这些超过达西定律上限的局部区域与整个流场相比是很小的,仍可按达西定律来分析整个流场的渗流,即渗流支配方程仍为拉普拉斯方程.

3　高挡墙与面板接缝止水防渗失效时的坝体浸湿过程大量原观资料表明[1],通过面板与垫层后的渗流剩余水头一般占总渗流水头的10%左右,因此,在面板与高挡墙水平接缝开始进水之前,坝体内的浸润面总是很低的.如果坝体内设有竖直排水设施并与面板与高挡墙水平接缝相接,因排水通畅,过缝渗水也不会形成高浸润面.否则有可能抬高浸润面,影响坝体的渗透稳定和下游坝坡的抗滑稳定性.

41第2期 盛金保,等:混凝土面板坝渗流分析方法初探　库水自面板与高挡墙水平接缝渗入坝内起,将经历以下两个阶段:(1)非稳定自由渗漏阶段　过缝渗水从缝底垫层逐步湿润至坝面和起始浸润线,并不断抬高坝体浸润线.(2)顶托渗漏阶段　渗水不断补给,坝体浸润线将逐步上升而达缝底.当坝体浸润线与库水连成一体时,过缝渗漏将受到坝内水体的顶托,在经过一定的时间以后,达到稳定状态,即可按前述方法进行渗流计算.现分析过缝渗水饱和浸湿坝体的过程,并推导渗水前锋线在非饱和坝体中的推进速度和距离.计算简图见图2.

图2　渗水前锋线推进计算简图Fig.2　Calculatingchartforfrontlineofseepagewater

由于非饱和土体中存在毛细管吸力,渗流水力比降按下式计算:i=(h+hc)/l(10)式中:h为作用水头;hc为吸压力水头;l为渗径.当不能保证在接缝下面局部区域内的渗流为层流运动时,可根据雷诺数来判断其流态:

Re=vdT

式中:v为坝体中的渗流速度;d为坝体料的平均颗粒直径;T为水的运动粘滞系数.达西定律上限的临界雷诺数Re约在1～10之间,或确切一些说Re=5[2].因此可约定,当Re<5时,为层流运动;当Re>5时,开始进入紊流状态,且达西定律不再成立.流速与渗流水力比降之间的关系可表示为指数的形式[2]:v=kim(11)式中的指数m决定于坝体填筑料的密实程度与有效粒径.根据试验,对于粗砂和砾(d10>0.4mm)的指数m约从1降到0.7.对于层流运动,t时刻渗水前锋线上任一水质点M(见图2)的推进速度:

vm(t)=dldt=K(H)neh(t)+lcosH+hcl(12)式中:H为l与铅垂线夹角;K(H)为沿H方向的渗透系数;ne为非饱和土的气孔体积孔隙率;h(t)为t时刻缝上水深;l为渗径,即缝至M点的距离;hc为非饱和坝体的吸压力水头.解式(12)就可确定任一时刻过缝渗水前锋面的位置,进而可计算渗水自坝背水坡出逸的最短时间,也可计算过缝渗水何时到达坝体下部的饱和区.

4　算　例对沟后水库大坝面板与高挡墙水平接缝渗水浸湿坝体的过程进行计算.为简单起见,只考虑沿水平和铅直向的流动,并假定渗流为层流运动.(1)沿高挡墙底板底的水平向流动(H=90°):K(900)=1×100cm/s=36m/h[3];h(t)=0.3+0.033t[4],其中,高挡墙底板厚为0.3m,t的单位为h;上部坝体的平均孔隙率n=0.265,含水量X=3.81%,干重度C