基于GEO-STUDIO有限元理論的砌石重力壩滲流分析

□賈大周□杜躍亭□賈鵬生（南陽(yáng)市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院；河南靈捷水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司）

基于GEO-STUDIO有限元理論的砌石重力壩滲流分析

□賈大周1□杜躍亭2□賈鵬生1
（1南陽(yáng)市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院；2河南靈捷水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司）

砌石壩在我國(guó)有著悠久的歷史，采用卵石砌筑的都江堰分水堰成就了“天府之國(guó)”并一直使用至今；廣西靈渠也是使用大塊石灰?guī)r和大卵石砌筑的溢流壩。砌石重力壩作為砌石壩中一種常見類型主要依靠自身的重量來(lái)保持壩體穩(wěn)定和滿足強(qiáng)度要求。文章在有限元理論的基礎(chǔ)上，針對(duì)砌石重力壩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以有限元程序G EO-STU D IO中SEEP/W模塊作為主要計(jì)算工具，對(duì)桐柏縣病險(xiǎn)水庫(kù)水簾水庫(kù)溢流壩段進(jìn)行仿真模擬分析，研究現(xiàn)狀和除險(xiǎn)加固后壩體的滲流場(chǎng)和壩基揚(yáng)壓力分布情況，檢核除險(xiǎn)加固效果。

重力壩；除險(xiǎn)加固；滲流分析

1　滲流計(jì)算原理

水體在介質(zhì)內(nèi)部的流動(dòng)方程根據(jù)是否考慮時(shí)間效應(yīng)，將計(jì)算分析劃分為穩(wěn)態(tài)（Steady State）和瞬態(tài)（Transient）兩種情況：前者為理想狀態(tài)，不考慮時(shí)間和初始內(nèi)部體積含水量變化的影響，流體的運(yùn)動(dòng)方程見式（1）。瞬態(tài)分析考慮了時(shí)間作用，用以分析水位及浸潤(rùn)線等隨時(shí)間的變化過(guò)程，流體運(yùn)動(dòng)方程見公式（2）。

式中：H為總水頭；、kx、ky分別為介質(zhì)x、y方向的滲透系數(shù)；q為邊界流量；θ為體積含水量；t為時(shí)間。

當(dāng)計(jì)算時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，瞬態(tài)分析結(jié)果接近穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果，因此可以近似認(rèn)為穩(wěn)態(tài)分析是瞬態(tài)分析的一個(gè)特例。

有SEEP/W模塊中，材料結(jié)構(gòu)中引入非飽和土特性。反映非飽和材料特性的參數(shù)有：土體的滲透系數(shù)、基質(zhì)吸力、土體體積含水量等。非飽和土體的滲透系數(shù)是土體體積含水量和基質(zhì)吸力的函數(shù)，土體體積含水量的變化受到土體應(yīng)力狀態(tài)和土性的影響。土體應(yīng)力狀態(tài)主要由（σ-ua）和（ua-uW）控制，其中σ為土體總應(yīng)力、ua為孔隙氣壓力，則土體體積含水量只與ua-uW有關(guān)，體積含水量與時(shí)間的關(guān)系可由式（3）表示：

式中：mw表示由負(fù)孔隙水壓力引起的體積變化系數(shù)，為土水特征曲線斜率。

2　工程概況

水簾水庫(kù)位于河南省桐柏縣水簾寺西小河上，工程等級(jí)為Ⅲ等，主要建筑物級(jí)別為3級(jí)。設(shè)計(jì)水位217.60 m（黃海高程系，下同），相應(yīng)庫(kù)容151.50萬(wàn)m3；校核水位218.30 m，相應(yīng)庫(kù)容160萬(wàn)m3；興利水位215.50 m，興利庫(kù)容120萬(wàn)m3；設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為50a一遇設(shè)計(jì)，500a一遇校核。大壩為漿砌石重力壩，壩頂全長(zhǎng)132.00 m（含溢流段26.80 m），壩頂高程219.10 m，最大壩高34.10 m，壩頂寬3.50 m，上游邊坡為1：0.25，下游邊坡為1：0.80。壩體上游188.00 m高程處設(shè)一條縱向排水廊道，并在不同高程設(shè)橫向廊道，高程205.50 m處設(shè)一條縱向交通廊道，并與排水廊道連通。

依據(jù)《河南省桐柏縣水簾水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)報(bào)告》（2014. 11），“壩基排水孔處揚(yáng)壓力折減系數(shù)（0.51）大于設(shè)計(jì)折減系數(shù)（0.38），壩基未設(shè)置灌漿帷幕，壩踵建基面處滲透坡降較大，綜合評(píng)定大壩滲流安全性為“C”級(jí)。水庫(kù)大壩存在嚴(yán)重病險(xiǎn)，根據(jù)《水庫(kù)大壩安全評(píng)價(jià)導(dǎo)則》（SL258-2000），水簾水庫(kù)大壩應(yīng)屬“三類壩”，應(yīng)盡快開展除險(xiǎn)加固工作。”

3　計(jì)算模型及參數(shù)

3.1計(jì)算模型

根據(jù)圣維南原理，為了解除壩基邊界條件對(duì)壩體受力的影響，應(yīng)盡量擴(kuò)大有限元的計(jì)算范圍。本次模型選取溢流壩段為研究對(duì)象，壩基深度（y方向）取35 m，約為1倍的壩高；順河流向（x方向）在壩踵、壩趾上下游各取35 m；最后確定計(jì)算模型長(zhǎng)（z）106.60 m、寬 （y）71.20 m、厚 （x）26.80 m，有限元模建模范圍：-43.77≤x≤62.86；-36.50≤y≤34.70

因現(xiàn)狀壩體滲漏嚴(yán)重，迎水側(cè)防滲面板損毀，漿砌石壩排水孔對(duì)壩體滲流場(chǎng)和揚(yáng)壓力的影響很大，故在建模過(guò)程中將壩體、壩基排水孔單獨(dú)劃分單元區(qū)域。另外，除險(xiǎn)加固前單層防滲面板，除險(xiǎn)加固后考慮新舊雙層面板。

3.2計(jì)算參數(shù)

參考工程地質(zhì)勘查報(bào)告中提出的壩體透水率為100Lu。根據(jù)透水率與滲透系數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系，并結(jié)合現(xiàn)狀壩體滲流情況進(jìn)行反演分析，采用參數(shù)詳見表1。

表1　壩體和壩基材料參數(shù)表

4　計(jì)算成果

4.1除險(xiǎn)加固前滲流計(jì)算

對(duì)現(xiàn)狀大壩溢流壩段在正常水位、設(shè)計(jì)水位和校核水位工況下進(jìn)行仿真計(jì)算，由于篇幅所限，僅列出正常水位下的計(jì)算成果，詳見表2；正常水位工況下基底壓力分布圖見圖1。

表2　除險(xiǎn)加固前正常水位工況揚(yáng)壓力折減系數(shù)計(jì)算表

圖1　正常水位工況下基底壓力分布圖

由圖1可以看出，壩體基底壓力自壩踵至壩趾遞減，在排水孔位置前有明顯折減，選取排水孔處的壓力和最大壓力進(jìn)行比較，結(jié)果見表2。通過(guò)計(jì)算，除險(xiǎn)加固前排水孔處的揚(yáng)壓力折減系數(shù)為4.53×10-1，大于設(shè)計(jì)值0.38，與現(xiàn)狀廊道底板開裂、向上涌水的現(xiàn)象相吻合。除險(xiǎn)加固前正常工況基底壓力回歸分析圖見圖2。

選取正常水位基底壓力數(shù)據(jù)，以排水孔處坐標(biāo)為分界，將基底壓力數(shù)據(jù)分成前后兩部分，分別對(duì)前、后兩部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可得到兩部的回歸函數(shù)：

式中：P1、P2為前、后兩部分基底壓力；R1、R2為前后兩部分回歸函數(shù)的方差。

圖2　除險(xiǎn)加固前正常工況基底壓力回歸分析圖

由圖2和式（4）、式（5）看出兩部分的回歸函數(shù)方差均＞0.90，近似呈線性分布，聯(lián)合兩式可求得交點(diǎn)處的坐標(biāo)為（2.4，130.88），回歸分析后可以求得排水孔的揚(yáng)壓力折減系數(shù)為0.41，大于設(shè)計(jì)值0.38。綜合各工況的計(jì)算結(jié)果和回歸分析的計(jì)算結(jié)果，現(xiàn)狀排水孔處揚(yáng)壓力折減系數(shù)偏大，對(duì)壩體整體穩(wěn)定不利，因此必須采取相關(guān)措施對(duì)壩體進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

4.2原因分析與工程措施

對(duì)于造成現(xiàn)狀基底揚(yáng)壓力折減系數(shù)過(guò)大的原因，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)查勘、大壩安全鑒定及地質(zhì)勘探報(bào)告，分析如下：一是迎水側(cè)防滲面板損壞，已失去防滲擋水之功能；二是鉆孔取芯率低，壩體砌石空隙大，填筑不密實(shí)；三是壩基排水管堵塞嚴(yán)重，已失去作用。

針對(duì)上述原因，遵循“上堵、中截、后排”的原則，擬采取在大壩上游新建防滲面板，采用C25W6鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，面板厚度為0.50～1.12 m，并與壩體基礎(chǔ)的混凝土墊層連成整體。在壩頂及交通廊道各布置一排壩體灌漿孔進(jìn)行固結(jié)灌漿，灌漿孔間距3.00 m。在防滲面板下新打帷幕灌漿孔布置1排，深入壩基線以下5～10 m。同時(shí)，在溢流壩段堰頂向下新打排水孔，孔距3 m，并對(duì)非溢流壩段壩體排水孔采取防堵措施。待灌漿結(jié)束后沿現(xiàn)狀排水廊道上游側(cè)新打壩基排水孔1排，深入壩基線以下5 m。

4.3除險(xiǎn)加固后壩體滲流計(jì)算

結(jié)合除險(xiǎn)加固措施和除險(xiǎn)加固后參數(shù)變化分析結(jié)果，仍采用上述方法進(jìn)行除險(xiǎn)加固后壩體滲流分析計(jì)算。經(jīng)過(guò)除險(xiǎn)加固后，基底排水孔處的壓力明顯降低，由原來(lái)的147.46 kPa減小到97.29 kPa，基底揚(yáng)壓力折減系數(shù)由原來(lái)的4.53×10-1減小至0.31。具體見圖3。

對(duì)前、后兩部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可得到兩部分的回歸函數(shù)：

式中參數(shù)符號(hào)意義同前。

圖3　除險(xiǎn)加固后正常工況基底壓力回歸分析圖

由圖3和式（6）、式（7）看出兩部分的回歸函數(shù)方差均＞0.90，近似呈線性分布，聯(lián)合兩式可求得交點(diǎn)處的坐標(biāo)為（2.21，106.80），可以得到排水孔的揚(yáng)壓力折減系數(shù)為0.33，滿足規(guī)范要求。可見，本次除險(xiǎn)加固采取的加固措施能明顯降低揚(yáng)壓力折減系數(shù)，方法合理、得當(dāng)，效果明顯。

5　結(jié)論

以桐柏縣水簾水庫(kù)為研究對(duì)象，借助于有限元軟件GEO-STUDIO中的SEEP/W模塊對(duì)除險(xiǎn)加固前后的溢流壩段進(jìn)行正常水位工況下模擬分析，結(jié)果表明：基底揚(yáng)壓力折減系數(shù)模擬值4.53×10-1和回歸分析值0.41均大于設(shè)計(jì)值0.38，與現(xiàn)狀壩體滲漏現(xiàn)象吻合。通過(guò)在迎水側(cè)新建防滲面板、對(duì)壩體進(jìn)行固結(jié)灌漿、壩基進(jìn)行帷幕灌漿和新建壩基壩體排水孔等措施對(duì)壩體進(jìn)行除險(xiǎn)加固，除險(xiǎn)加固后壩體基底揚(yáng)壓力折減系數(shù)模擬值0.31和回歸分析值0.33均滿足規(guī)范要求之范圍。說(shuō)明除險(xiǎn)加固措施得當(dāng)、效果明顯，為下一步的除險(xiǎn)加固工程開展提供了理論依據(jù)。

（責(zé)任編輯：劉長(zhǎng)垠）

中國(guó)分類號(hào)：TV 67A

1673-8853（2016）07-0105-02

賈大周（1971－），男，工程師，南陽(yáng)市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院，主要從事規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。

2016-04-21