钱 宇,李宗利

(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院,陕西 杨凌712100)

0 引 言

扬压力首次提出于1985年法国Bouzey坝失事后[1],但一直到20世纪初开始,重力坝设计中已将扬压力作为一种重要荷载,但是对其本质的认识又经历了几十年的探索和争论。同时,国内学者也做了大量的理论研究和实验来分析扬压力[2～6]大小与分布。现行规范[7]对坝基扬压力的规定是建立在混凝土为不透水材料的基础上,扬压力是不透水坝基面的面力。实际上混凝土是透水材料,其渗透系数相对坝基岩体来说较小而已。因此,坝体按渗透体与坝基整体分析较符合实际,而且,从理论上分析扬压力还与坝体和坝基渗透系数相关。

本文建立在混凝土为透水材料的基础上,根据不同的防渗类型分别建立无帷幕无排水和有帷幕有排水条件整体渗流分析模型,通过改变坝体和坝基的渗透系数及相对比值,利用有限元法进行坝体与坝基整体渗流分析,研究坝基扬压力的分布及大小,并与现行规范计算值比较。

1 模型的建立及参数取值

1.1 模型的建立

选定典型实例如图1所示,根据不同的防渗类型,拟定分析模型分为无帷幕无排水模型和有帷幕有排水模型。对于帷幕的渗透性及尺寸依照现行规范[7]的规定拟定。渗流计算按稳定渗流计算,软件采用北京理正渗流分析软件。

实例坝高为100m,顶宽5m,上游面垂直,下游面坝坡系数 m=0.65,即坝底宽度为70 m;上游水深90m,下游水深10 m。在距坝踵7m处设有2 m×2 m的排水孔以及深50 m、厚2 m的防渗帷幕如图1所示。对于无防渗帷幕模型则不考虑帷幕及排水孔即可。

1.2 渗透系数的确定

现行规范[8]对坝体混凝土的抗渗等级有一定的要求,因此根据坝前水头确定坝体混凝土抗渗等级为W8～W10。根据文献[9]中抗渗等级与渗透系数的关系确定坝体混凝土渗透系数k1=1.157×10-9cm/s～3.014×10-9cm/s,坝基渗透系数k2=1.157×10-5cm/s～1.157×10-2cm/s,防渗帷幕依据经验可知在坝前水头为100 m时透水率不大于1 Lu[10],由此根据文献[10]中经验公式则其渗透系数约为k3=1.157×10-5cm/s。

图1 实例(图中单位均为m)

1.3 计算方案的确定

由于坝体的渗透系数在1.157×10-9cm/s到3.014×10-9cm/s之间,坝基渗透系数取1.157×10-5cm/s到1.157×10-2cm/s,同时,考虑坝体的渗透系数为零,即不透水体。因此,计算方案分为3大组,每组中又根据坝基的渗透系数分为4组,如表1所示。

表1 计算方案

2 结果分析

2.1 无帷幕、无排水孔的结果分析

计算结果表明,对于计算中3组坝体的渗透系数情况,不管坝基的渗透系数如何变化,建基面上的扬压力分布完全相同,图2中表现为一条曲线。由此说明,当坝体的渗透系数相当小时,按坝体不透水分析是合理的。进一步分析扬压力与规范计算值的差异。

图2 无帷幕、无排水计算结果

由图2可以看出,距坝踵 35 m(坝基中心)处,考虑坝体渗透时扬压力值与规范计算值基本一致。距坝踵距离小于35 m的点处,考虑坝体渗流时扬压力值小于规范计算值,差值较大点位于坝踵7m处,最大误差为9.04%;距坝踵大于35 m时考虑坝体渗流计算值大于扬压力规范计算值,最大差值在距坝踵63 m处达到最大,为8.3 m,误差为46.1%。考虑坝体渗流计算所得坝基扬压力的分布和合力总值都与规范计算值非常接近。

根据稳定渗流理论可知,不同材料组成的渗流体,其孔隙水压与材料之间的渗透系数相对值有关。故保持坝体渗透系数k1=1.157×10-9cm/s不变,分别取坝体的渗透系数与坝基的渗透系数比值为0,1/1、1/2、1/3。计算结果如图 3所示。

图3 不同坝体与坝基渗透系数比值下扬压力分布

从图3可以看出,考虑不同渗透系数比值的扬压力计算值分布与规范计算值基本相似。不论坝基和坝体渗透系数如何变化,只要两者比值相同,则扬压力分布完全相同;距坝踵23 m(约为建基面长度的1/3)以内扬压力不管坝体与坝基的渗透系数比值如何,其值与规范计算值差异较小;距坝踵距离大于23 m,其值较规范推荐值大;不同渗透系数比值计算结果由坝踵到坝趾在波动,距坝踵52 m以内,随坝体与坝基的渗透系数比值增大,扬压力值增大;而大于52 m,则相反。

2.2 有帷幕、有排水孔的结果分析

仍保持坝体的渗透系数为k1=1.157×10-9cm/s,设有帷幕、排水情况渗流计算结果如图4所示。从图4可以看出,规范按坝体为不透水体计算的扬压力分布较按透水体计算结果偏小;坝基渗透系数越大,所得坝基各点扬压力与规范计算值越接近;随着坝基渗透性的增大,坝基各点扬压力逐渐增大,较规范计算值差异越大。另一方面,结果反映出坝基渗透系数越大,防渗帷幕的截渗作用越显著,扬压力越小,分布越靠近规范所规定的值,反之亦然。

图4 有帷幕、有排水计算结果

3 结 论

(1)在无帷幕、无排水的情况下,坝基扬压力的分布与规范规定分布基本一致,每一点大小则随坝体与坝基岩体的渗透系数比值而变化,并沿建基面出现波动。坝基渗透系数与坝体渗透系数比值相同的情况下扬压力分布大小不变。

(2)在有帷幕、有排水的情况下,规范对扬压力计算的规定与考虑坝体渗透计算得到的扬压力分布规律相同。规范按坝体为不透水体计算的扬压力分布较按透水体计算结果偏小;坝基渗透系数越大,所得坝基各点扬压力与规范计算值越接近;随着坝基渗透性的减小,坝基各点扬压力逐渐增大,较规范计算值差异越大。

[1] 汝乃华.重力坝[M].北京:水利电力出版社,1983.

[2] 吴胜光.混凝土重力坝扬压力的计算分析[J].广西水利水电,1977,(2):8-37.

[3] 顾俊彦.关于混凝土重力坝坝基扬压力的若干问题[J].水电自动化与大坝监测,1982,(3):45-49.

[4] 李思慎.水工建筑物扬压力设计中的几个问题[J].长江水利水电科学研究院院报,1985,(1):76-85.

[5] 徐家海,徐世果.岩基上混凝土坝坝基扬压力的分布[J].岩土工程学报,1981,3(1):46-56.

[6] 包腾飞,吴中如.新安江大坝扬压力观测资料分析[J].水电自动化与大坝监测,2003,27(3):63-67.

[7] SL319-2005.混凝土重力坝设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,2005.

[8] SL191-2008.水工混凝土结构设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,2008.

[9] 李亚杰,方坤河.建筑材料(第五版)[M].北京:中国水利水电出版社,2007.

[10] 毛昶熙.渗流计算分析与控制(第二版)[M].北京:中国水利电力出版社,2003.