基于數(shù)值模擬的土石壩滲流計(jì)算及防滲措施分析

安 元，唐雷彬

(遼寧省水文局，遼寧 沈陽 110003)

土石壩是應(yīng)用最為廣泛的一種擋水建筑物[1]，其主要建筑材料為土石料，材料便于獲得且價(jià)格相對(duì)較低，對(duì)于地基變形適應(yīng)性較強(qiáng)，可以應(yīng)用在大多數(shù)類型的基礎(chǔ)上，施工方法簡(jiǎn)單，對(duì)技術(shù)要求較低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界共建有大壩約41413座，其中土石壩約為33958座，占比超過80%，我國(guó)現(xiàn)有土石壩約19800座，占全世界土石壩總數(shù)的58%[2]，土石壩的應(yīng)用之廣可見一斑。土石壩由于其采用的材料的特性，也存在一些不足之處，例如壩頂不能過流，必須建設(shè)溢洪道，壩體對(duì)滲流的處理要求較高等，雖然通過采取心墻壩、面板壩等壩體設(shè)計(jì)方式達(dá)到了一定的防滲效果，但仍有管涌、流土、接觸沖刷等破壞的發(fā)生[3，4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)外45%的土石壩失事原因都是滲流破壞[5]，我國(guó)對(duì)241座曾發(fā)生工程安全問題的大型水庫進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其中37%的安全問題都是由于滲流引起的。這主要是由于土石壩是散粒體結(jié)構(gòu)，顆粒間隙較大，在蓄水過程中上下游存在較大的水位差，水通過壩體填筑材料向下游滲透。在浸潤(rùn)面以下的土體為飽和區(qū)，受水的浮托力作用，降低了壩體的抗滑穩(wěn)定性。當(dāng)滲透坡降達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)造成局部土體難以維持自身穩(wěn)定，便會(huì)出現(xiàn)管涌、流土等局部破壞現(xiàn)象，進(jìn)而造成土石壩整體的事故。由此可見，滲流問題是土石壩工程中需要考慮的核心問題之一。

土石壩滲流問題的研究自20世紀(jì)初期便已開始，早期主要采用水力學(xué)法、模擬實(shí)驗(yàn)法等近似方法，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元法、有限差分法等一系列方法得到了發(fā)展，其中有限元法是目前最為成熟的滲流計(jì)算方法。通過有限元法與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，能夠較好的求解土石壩滲流及滲透穩(wěn)定的問題，獲得壩體滲流量、浸潤(rùn)線、各點(diǎn)處水頭及滲透坡降等相關(guān)數(shù)據(jù)。本文利用有限元軟件，結(jié)合土石壩特點(diǎn)，以某一土石壩為對(duì)象，用數(shù)值模擬的方法對(duì)其滲流狀態(tài)進(jìn)行研究，并對(duì)防滲控制措施進(jìn)行分析。

1 滲流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型及求解方法

多孔介質(zhì)的滲流符合達(dá)西定律[6]：

(1)

v=kJ

(2)

式中，Q—滲流量，A—滲流截面面積，J—滲流的水力坡度，v—滲流模型的斷面平均流速。

根據(jù)達(dá)西定律的表述，其方程適用于層流，自然界中大多數(shù)滲流為層流，因而可以認(rèn)為是通用的。

滲流的微分方程：

(3)

式中，kx、ky、kz—沿x、y、z方向上的滲透系數(shù)。

對(duì)于穩(wěn)定滲流，需要考慮邊界條件：

第一類邊界條件為邊界上定位勢(shì)函數(shù)或水頭的分布，稱為水頭邊界條件：

h(x，y，z，t)|Γ1=f1(x，y，z，t)

(4)

第二類邊界條件為在邊界上給定位出勢(shì)函數(shù)或水頭的法向?qū)?shù)，稱為流量邊界條件：

(5)

2 計(jì)算實(shí)例

2.1 模型建立

利用數(shù)值模擬軟件，通過適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，針對(duì)某一水庫粘土心墻壩結(jié)構(gòu)斷面的滲流情況進(jìn)行分析。該土石壩壩高90m，壩基主要是部分覆蓋層及弱風(fēng)化、微風(fēng)化巖體，壩體及壩基沉降變形較小，心墻以下設(shè)置固結(jié)灌漿及帷幕灌漿，該土石壩的典型剖面圖如圖1所示。

圖1 土石壩典型剖面圖

其材料主要參數(shù)如表1所示。

表1 材料滲透系數(shù)表

該土石壩壩址區(qū)地形變化較小，壩體通過適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，對(duì)典型剖面建立二維平面有限元模型。該土石壩處地下水位較低，模型左右邊界選取為分別在上下游壩址壩踵處向相應(yīng)方向延伸一倍壩高，模型下邊界為基巖一下約一倍壩高，并對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，提高計(jì)算精度。

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

對(duì)該土石壩正常蓄水位下的典型斷面滲流情況進(jìn)行有限元分析，其計(jì)算結(jié)果如圖2～5所示，分別為總水頭等值線、壓力水頭等值線、浸潤(rùn)線及滲透流速分布情況。

圖2 總水頭等值線圖

圖3 壓力水頭等值線圖

圖4 浸潤(rùn)線圖

圖5 滲透流速分布圖

由計(jì)算結(jié)果可以得知，整個(gè)滲流場(chǎng)的水頭分布基本合理，水頭等值線的計(jì)算結(jié)果能夠較為準(zhǔn)確的反映各區(qū)域滲流情況及防滲措施的特點(diǎn)，整個(gè)典型斷面的滲流控制措施得到有效的反映。

通過計(jì)算結(jié)果可以看出，該土石壩的粘土心墻、固結(jié)灌漿和帷幕灌漿基本形成了一個(gè)防滲整體，較為有效的阻斷了過壩滲流，能夠起到應(yīng)有防滲的效果。由于心墻及灌漿措施的存在，壓力水頭在相應(yīng)位置有明顯的降低，浸潤(rùn)線得到了有效的控制，滲透流速的分布情況更是較為明顯的反映了防滲措施的效果，尤其是在心墻部分，其滲透流速顯著的低于周圍堆石區(qū)，各部分的滲透坡降均滿足相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求。固結(jié)灌漿及帷幕灌漿部分的滲透系數(shù)與周圍基巖基本接近，因而此部分的水頭線變化并不明顯，這也表明在基巖分布較為明了的情況下，灌漿防滲措施可以將基礎(chǔ)中的強(qiáng)透水部分控制截?cái)嗉纯?，灌漿措施可以根據(jù)基礎(chǔ)情況相應(yīng)的優(yōu)化。

通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，可以看出粘土心墻壩的防滲控制措施仍有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。一是直心墻壩的上游堆石體存在較高的水頭壓力及滲透流速，其對(duì)心墻的作用較為明顯，可以采用斜心墻及平面壩軸線拱型設(shè)計(jì)的心墻形式，并優(yōu)化心墻材料，充分考慮防滲性能及抗裂縫沖蝕及裂縫自愈能力，并在心墻下游設(shè)計(jì)合理的反濾層，可較好的解決心墻的滲流沖蝕及不均勻沉降問題，防止心墻水平裂縫的發(fā)生。二是下游排水體的合理設(shè)置，排水體能夠截?cái)嘈膲ξ茨芙刈〉臐B流，以較小的水頭損失排到壩體以外，降低下游溢出點(diǎn)及下游堆石區(qū)滲流情況。尤其是近年來采用的反濾排水整體設(shè)計(jì)，排水體緊靠防滲體布置，充分發(fā)揮其排水作用，保證了反濾過渡層后壩體全部處于無滲流區(qū)。三是采用上游防滲鋪蓋等水平防滲措施及高壓噴射灌漿和劈裂灌漿等垂直防滲措施延長(zhǎng)滲徑，利用土工合成材料等新型水工材料等一些列防滲新手段。四是采用面板壩形式，利用上堵下排的水工建筑物滲流控制基本原則，從上游與水接觸第一線控制滲流，能夠最大限度的減小滲流量。

3 結(jié)語

本文通過利用有限元計(jì)算方法，結(jié)合工程實(shí)例求解土石壩的滲流問題，得到了正常蓄水情況下的

滲流結(jié)果，能夠真實(shí)反映滲流實(shí)際情況，有限元滲流分析是求解土石壩滲流的有效手段。通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析能夠初步了解防滲措施的控制效果，并結(jié)合其實(shí)際情況，提出了一系列的防滲排水優(yōu)化方案。

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