垂直堤坝内的水流水力特性和应力特征研究

周 洋

（清远市水利水电勘测设计院有限公司，广东 清远 511500）

水库或河流大坝的形式与其地理位置和地质条件息息相关，垂直堤坝形式由于占地面积小，经济效益高，储水及排水能力强，在水库和河流大坝中有着广泛的设计应用。大量学者就堤坝结构体的渗流特征，开展了多方面的研究。汪在芹等[1］针对水库大坝的渗漏治理问题进行了研究。研究结果表明：采用化学材料对微细裂缝进行灌浆是除险加固工作中的一项有效手段。陈新等[2，3］研究了布料机在提高混凝土浇筑效率的作用。研究结果表明：混凝土大坝采用布料机施工后，效率明显提高，加快了施工进度，保证了安全度汛，同时，减小了后期施工的压力。杨启贵等[4，5］研究了东方山水库在发生大的渗漏量的应急处置措施。研究结果表明：泄、抽、堵、压等多种方法并行实施，在渗漏发生处进行及时处理，在预防大坝溃决方面效果明显。王薇等[6］研究了超声波成像在侦测大坝渗漏发生位置方面的应用。研究结果表明：采用跨孔法成像技术对大坝进行裂缝探测，能够有效实现精细获取裂隙位置，且获取的结果与传统有损检测方法获取的结果高度一致，为该方法在类似水库大坝工程中的应用提供了应用基础。陈泳江等[7，8］研究了大坝安全性评估方法。研究结果表明：改进的FMECA-模糊分析法能够有效评估水库大坝的安全性，评估结果与实际水库安全性等级相同。葛从兵等[9］对传统的大坝巡检网络培训系统的缺陷进行了研究。研究结果表明：原有培训系统复杂不易用，新开发的培训系统架构，结合了数项关键技术，有效减轻了培训人员的工作压力，同时，显著改善了培训效果。

以上扼要分析表明，大量学者对大坝的受力、变形及灾害预测与防治方面开展了研究，研究成果显著。然而，对于大坝的结构形式的研究较少。为此，本文根据水库堤坝形式，采用FLAC3D 软件对垂直形式的大坝结构在工程中的效果进行了研究，为该形式大坝在今后水利工程中的应用提供帮助。

该水库堤坝工程是当地市政供水和水量调节的基础支撑。大坝设计高15 m，设计蓄水水位为12 m，大坝采用垂直形式的混凝土坝基，坝基与下部钢筋混凝土加固桩联结，大坝长120 m，坝宽20 m。1 m 宽的三维横截面坝体原始模型图见图1。坝体下部采用C50 现浇混凝土修建，上部采用C45现浇混凝土修建，两种类型的混凝土的物理力学参数，见表1。

表1 岩土体物理力学参数

图1 坝体尺寸三维示意图

3.1 模型的建立

在FLAC3D 软件，根据图1 中的实际的大坝坝基结构的横截面尺寸，构建与图1 相同的三维模型，进行后续数值计算分析，由于大坝坝基结构形式简单，且为混凝土坝基，混凝土相关物理力学性质明确，构建模型采取软件自构建模式；
简而言之，FLAC3D 软件包含有简单的自带的构建模型的模块，该方法简单实用，完全能够满足本文中的坝基结构的模型创建，即采用BLOCK 命令构建下部坝基；
在此基础上，继续采用BLOCK 命令构建上部坝基，而后根据表1 参数，设置相应的各部分材料参数，‘zone property’命令用于完成这一过程。最终构建的三维模型见图2。

图2 三维数值计算模型

3.2 坝基内的水力特征

为了分析在水坝蓄水后，坝体内的水流水力特性，通过调出相应的流量通量图，并将其以矢量形式呈现，坝体内的水流矢量图见图3。同时，为了研究坝体内的水流通过坝体的渗流过程，坝体内的水流流线图见图4。

图3 坝体内的水流矢量图（单位：m3／s）

图4 坝体内的水流流线图

图3 所示为蓄水后坝体内的水流矢量图，根据图中矢量线的长短，分析水流在通过坝体时在坝体内的渗流特点，首先可以得出，从上游向下，水流在惯性力及重力、水头压力差作用下，不断向下汇聚，至最左侧下游位置，最大流量值为1.36×10-6m3／s，最上游流量值最小，约为1.6×10-7m3／s；
从最上游至最下游，变化趋势近似为线性变化过程，变化梯度为6×10-8m3／（s・m），可知变化梯度极小，且下游最大流量为1.36×10-6m3／s，也几乎为零。说明该设计堤坝形式有效阻隔了坝体内的水向下游的渗流泄露，但仍有少量渗流现象存在，运营阶段应加强监测。

图4 所示为蓄水后坝体内的水流流线图，根据图中流线的形态，分析水流在通过坝体时在坝体内的渗流流动特点，首先可以得出，从坝体的上游向下游，在1.5 m 范围内坝体内的渗流水迅速向下汇聚；
并在0.75 m 范围内迅速汇聚至坝体的下部2 m 范围内，随后保持水平运动方式向下游渗流，至最右侧下游位置。

由上述对坝体内的水流矢量图的详细解析，可知，从上游向下，水流不断向坝基下部位置汇聚，至下游位置，最大流量值为1.36×10-6m3／s，变化梯度为6×10-8m3／（s・m）；
由对蓄水后坝体内的水流流线图的详细解析，可知，坝体内的渗流水，在距上游1.5 m 范围内坝体内的渗流水迅速向下汇聚，并在0.75 m 范围内迅速汇聚至坝体的下部2 m 范围内。

3.3 结构体的受力特征

为了分析蓄水后坝体的受力特点，以分析这种结构形式的坝体的力学稳定性，导出了蓄水后坝体内的XX 方向的最大有效应力云图，见图5。同时导出了蓄水后坝体内的ZZ 方向的最大有效应力云图，见图6。

图5 坝体内XX 方向应力云图（单位：Pa）

图6 坝体内ZZ 方向应力云图（单位：Pa）

图5 所示为蓄水后坝体内的XX 方向有效应力云图，根据图中云图图例所示，分析坝体在蓄水后的XX 方向的应力变化特点，首先可以得出，从坝体上部至下部，在约9.5 m 高度范围内的坝体XX 方向的应力约为1.0×103Pa；
从坝体9.5 m高度至坝体最底部12 m 位置处，呈线性增大趋势，最大应力值为1.05×104Pa，变化梯度约为2.5×103Pa／m，可见坝体上部9.5 m 高度范围内XX 方向的有效应力较小，而在下部2.5 m范围内的XX 方向的有效应力较大。

图6 所示为蓄水后坝体内的ZZ 方向有效应力云图，根据图中云图图例所示，分析坝体在蓄水后的ZZ 方向的应力变化特点，首先可以得出，从坝体上部至下部，呈线性增大趋势；
最小应力值为1.5×103Pa，最大应力值为5.85×104Pa，变化梯度约为4.75×103Pa／m。说明该种坝基设计形式，以及对上部采用C45 混凝土浇筑，而下游采用较高强度的C50 混凝土浇筑的材料选择是合理的。

（1）从上游向下，流量不断增大，最大流量值为1.36×10-6m3／s，变化梯度为6×10-8m3／（s・m）；
在距上游1.5 m范围内，渗流水迅速向下汇聚，并在0.75 m 范围内汇聚至坝体的下部2 m 范围内，随后保持水平运动方式至下游位置。

（2）在坝体从上向下约9.5 m 高度范围内，坝体XX 方向的应力约为1.0×103Pa，9.5 m～12 m，呈线性增大趋势，至最底部位置增大至最大应力值1.05×104Pa，变化梯度约为2.5×103Pa／m；
ZZ 方向的应力变化特点，上部至下部，呈线性增大趋势，最小值为1.5×103Pa，最大值为5.85×104Pa，变化梯度约为4.75×103Pa／m。

（3）XX 方向和ZZ 方向的应力变化特点，说明该种设计坝基设计形式是合理的，但是下游仍有少量渗漏现象存在，建议运营阶段应加强监测。

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