友誼水庫大壩模型滲流分析

摘 要：大壩滲流是水庫大壩常見病害之一，大壩滲流不僅造成水資源流失甚至影響大壩的穩(wěn)定性。文章利用ANSYS軟件對河北省友誼水庫大壩建立了有限元模型，進行了滲流模擬計算，并將計算結(jié)果與實測結(jié)果進行比較分析，為大壩的除險加固提供理論依據(jù)。

關鍵詞：土石壩；ANSYS軟件；滲流計算

截至2003年底，全世界共建15m高度以上大壩41413座，其中土石壩33958座，占82.7%；目前，我國已建水庫8.6萬余座，大中型水閘7.6萬余座[1]，其中壩高15m以上的土石壩近2萬座，占世界土石壩總數(shù)48.3%。這些水庫在不同程度上均存在一定的安全隱患，除了防洪標準偏低以外，有些土壩的變形穩(wěn)定和滲流穩(wěn)定得不到保證，這是影響水利樞紐工程安全運行的主要因素[2]。大壩蓄水后，在上下游水頭差的作用下，壩體和壩基會出現(xiàn)滲流現(xiàn)象，這將導致壩體出現(xiàn)各種不利因素導致其功能降低，或使大壩存在一定的安全隱患，從而影響大壩下游安全。

目前，滲流計算的方法有很多種，歸納起來主要有兩大類。即理論分析方法和試驗分析法[3]。其中，理論分析法包括：解析法、數(shù)值法、圖解法；由于實際工程邊界條件復雜，且滲流介質(zhì)并非是單一介質(zhì)，利用近似求解法計算往往不能得到滿意結(jié)果，因此，目前大多采用有限單元法對大壩滲流進行模擬計算。ANSYS是美國ANSYS軟件公司開發(fā)的大型通用有限元計算軟件，具有強大的求解器和前、后處理功能。該軟件可以進行熱、電、磁、聲、流體和結(jié)構(gòu)等有限元分析，并可以進行多物理場偶合分析。由于滲流場和溫度場可以相互比擬，本文采用ANSYS的溫度場分析功能進行滲流場計算，取得了較滿意的結(jié)果。

1 友誼水庫大壩滲流場分析

1.1 水庫基本情況

友誼水庫位于河北省尚義縣與內(nèi)蒙古自治區(qū)興和縣交界處，是永定河支流東洋河上游的主要水利樞紐工程，控制流域面積2250km2，總庫容1.16億m3，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧養(yǎng)殖的大（Ⅱ）型水利樞紐工程，工程等級為Ⅱ級，控制灌溉面積36萬畝。水庫設計洪水標準為100年一遇，校核洪水標準為2000年一遇。水庫樞紐工程主要有攔河壩、溢洪道、輸水洞等，水庫攔河壩為均質(zhì)土壩，最大壩高40m，壩頂高程1200m，壩頂長287m，壩頂寬7m，防浪墻高程1201.2m。上游坡由1：2.5、1：3、1：3.5三段組成，下游壩坡為1：2.5、1：3.5、1：3.5。下游壩坡高程1187m和1175m處增設兩級馬道，高程1187m馬道寬度為2m，在高程1175m處馬道寬5.0m。壩基為砂礫石，厚5～7m，未清基。壩前采用水平防滲，下游設排水反濾體，高6m。溢洪道堰型為駝峰堰，堰頂高程1190m，設五孔鋼閘門控制，單孔凈寬9m，下設差動式挑流鼻坎消能，全長208m，最大泄量2384 m3/s。輸水洞為壓力遂洞，進口高程1173.00m，洞徑2.2m變1.8m，洞長245m，出口高程1162.5m，最大泄量39m3/s[4]。

1.2 滲流場分析

本文采用了ANSYS軟件的生死單元功能，將處于浸潤線上部的單元網(wǎng)格“殺死”，只“激活”浸潤線下部的單元網(wǎng)格，然后設定相應邊界條件進行分析，并根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整單元，相應修正邊界條件重新計算直到達到計算精度。

本計算根據(jù)掌握資料情況，分別選取了歷史最高水位、最低水位及設計水位、07年最高蓄水位來進行滲流場分析。計算工況如表1所示：

2 結(jié)果分析

將ANSYS計算結(jié)果與觀測資料進行對比，發(fā)現(xiàn)軟件模擬計算的滲透壓力值與實測值相差不大，壓力水頭曲線與測壓管水頭曲線吻合較好，這說明利用ANSYS軟件計算得到的滲流場基本上反映了大壩滲流的實際情況。另一方面也說明水庫觀測資料較為準確，觀測儀器工作正常。

由水庫主壩的分析計算結(jié)果可以看出，1#、2#、3#測壓管利用軟件計算所得結(jié)果與實測結(jié)果基本一致，誤差最大為0.71m，最小誤差僅為0.143m。計算結(jié)果與實測值不能完全相同，這說明在定義邊界條件時存在缺陷。如果將排水棱體地面設為逸出點，排水棱體內(nèi)部定義滲透系數(shù)，將可以有效的減小這類誤差。然而4#、5#的觀測數(shù)值與計算值相差較大，可能是是由于定義下游水位時排水管具體位置不準確，定義排水棱體各個面為逸出點，導致5#測壓管的觀測數(shù)值與計算值相差較大，而且還影響到上游管4的計算數(shù)值，使其誤差較大。

研究表明ANSYS用溫度場模塊模擬滲流場是可行的。今后將利用ANSYS軟件來分析大壩的抗震性能，為大壩的維修加固提供依據(jù)。

參考文獻

[1]潘家錚，柯 .中國大壩50年[M].中國水利水電出版社，1998.

[2]酈能惠.土石壩安全監(jiān)測分析評價預報系統(tǒng).北京：中國水利水電出版社，2003.

[3]長江流域規(guī)劃辦公室.第十一屆國際大壩會議譯文選集[C].水利電力出版社，1976：99-101.

[4]水利部河北水利水電勘測設計研究院.友誼水庫除險加固工程設計工作報告[M].2006.