有限元法在土石壩滲流穩定分析中的運用

王 鑫趙才全梁 軍

有限元法在土石壩滲流穩定分析中的運用

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一、引言

土石壩的滲流是一個比較復雜的空間問題，但在工程設計中常將其簡化為平面問題處理。土石壩滲流計算方法主要有解析法、手繪流網法、實驗法和有限元法等。解析法分流體力學法和水力學法，前者立論嚴謹，但只能用于某些邊界條件較為簡單的情況；水力學法計算簡易，精度可滿足工程要求，得到了廣泛的應用。手繪法是一種簡單易行的方法，能夠求滲流場內任一點滲流要素，并具有一定的精度，但在滲流場內具有不同土質，且其滲透系數差別較大的情況下較難應用。遇到復雜地基或多種土質壩，可用電模擬實驗法，它能解決三向問題，但需一定設備，且費時較長。近年來，有限元法在土石壩滲流分析中得到了廣泛應用，此種方法可以計算非穩定滲流和較復雜的滲流問題。本文擬采用有限元軟件（AutoBANK）對淮安市桂五水庫大壩滲流穩定進行計算分析，為進一步制定水庫大壩除險加固措施提供滲流穩定分析理論依據。

二、工程概況

桂五水庫位于淮安市盱眙縣西南山丘區，匯水面積36.20km2，總庫容2620萬m3，興利庫容1671萬m3，是一座以防洪、灌溉為主，結合水產養殖等綜合利用的中型水庫。

水庫大壩為均質土壩，長850m，頂寬8.00m（含擋浪墻寬），壩頂高程63.10m，最大壩高21.00m，擋浪墻頂高程63.60m。迎水面坡比為1∶3.0，漿砌塊石護坡樁號0+000～0+800，高程57.24～62.25m。背水面設一級戧臺，頂寬14.00m，頂高程59.00m，戧臺上下坡比均為1∶2.5，戧臺內有清水壩干渠輸水箱涵，斷面為2.25 m× 2.25m（長×寬）。

三、大壩滲流性態現狀分析

桂五水庫大壩經數次加高培厚筑成，因當時施工工藝條件差等原因，壩身填土碾壓質量參差不齊。通過現場檢查和走訪有關人員，得知大壩滲流性態現狀存在以下問題：

（1）大壩壩體內埋設的測壓管已堵塞損壞，失去作用。

（2）大壩壩身滲水量較大，背水坡排水暗管堵塞，不能正常排滲，排水溝長度不足，水流沖刷壩坡面，壩后有深塘。背水坡樁號0+270～0+750滲水，以樁號0+300～0+700最為嚴重，經測量當水庫水位達60.0m時，滲水量25.2m3/s，日滲水量604.8m3，出逸點高程51.65m，且有逐年有上升的趨勢。

四、大壩滲流穩定計算

為了對桂五水庫現狀大壩滲流安全進行評價，根據水位情況，考慮其遭遇的可能性和產生滲流破壞的可能，選擇對1/3壩高水位、正常蓄水位、設計水位、水位降落期水位下的大壩滲流穩定性進行分析。

本次滲流計算選擇了滲水較為嚴重的壩段斷面（樁號0+700）進行計算，主要計算單寬滲流量、出逸坡降等。

1.計算方法

采用由河海大學研制的軟件（AutoBANK），軟件內部采用有限元技術，首先對桂五水庫大壩0+700斷面進行網格劃分，然后對穩定滲流場進行分析輸出計算斷面的滲流量、水力坡降等。

2.基本資料

（1）計算工況

根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）的規定，結合桂五水庫的具體情況，滲流分析計算包括以下幾種工況，詳見表1。

表1 滲流穩定計算工況表

（2）地質參數

滲流穩定分析地質資料采用成果見表2。

表2 滲流穩定分析地質資料采用表

（3）土的滲透坡降允許值計算

由該工程土質資料分析僅1-1、1-2土層有可能發生滲透破壞，參考土樣試驗報告，首先將試驗得到的土料的孔隙比換算為孔隙率，然后采用《水利水電工程地質勘察規范》（GB50287-99）附錄M中的計算方法求這兩層土的允許水力坡降。

根據土料顆粒分析統計可知

式中：Pc為土的細顆粒含量，以質量百分率計；

n為土的孔隙率。

由此可見，土料不均勻系數小于5.0，細粒含量大于35%，故其滲透變形破壞為流土型。

土的滲透變形判別如表3所示：由式（1）計算得到土料1-1、1-2的臨界水力坡降分別為0.935與0.951，由于流土破壞為整體性破壞，對大壩危害較大，故允許的滲透坡降安全系數取2.0，土料1-1、1-2的允許水力坡降分別為0.468 與0.475。

3.計算結果

壩體滲流穩定計算結果詳見表3。

表3 滲流穩定成果表

4.結果分析

桂五水庫工程始建于20世紀五六十年代，施工斷斷續續，由于當時的歷史條件限制和工程技術水平的制約，嚴重影響了工程施工質量。水庫蓄水運行后壩體、涵洞多處出現滲漏險情，后雖經局部除險加固，但經過幾十年的運行，仍暴露出很多問題，存在較多安全隱患。

桂五水庫最大壩高處斷面在正常、設計和校核水位工況下，大壩出逸坡降均大于逸出點處1-2土層滲透變形允許的水力比降0.475。因此，大壩存在滲流破壞危險。

根據滲流有限元計算與大壩實際滲流性態分析結果可知，桂五水庫大壩壩體填筑質量差，壩體滲透性大，造成浸潤線高，存在滲透破壞的可能以及影響大壩壩坡抗滑穩定性。

五、結語

有限元法能夠很好的計算土石壩中非穩定滲流和較復雜的滲流問題。通過比較發現，大壩滲流穩定計算結果與實測的大壩滲流情況基本吻合，能夠較好地從理論上反應出大壩整體滲流情況■

（作者單位：1.淮安市水利勘測設計研究院有限公司 223005 2.江蘇省灌溉總渠管理處 223200）

（專欄編輯：張 婷）