基于ANSYS的沖抓回填土石壩滲流特性分析及數值模擬

賀玉珍

(甘肅省臨夏州水電局河道管理站，甘肅 臨夏 731100)

隨著西部大開發戰略和“一帶一路”倡儀的相繼推進，我國水庫建設工程快速發展，對國民經濟建設和農業發展具有重要的作用，同時對農業灌溉、水力發電起到了重要的保障作用。然而這些水庫大壩在經歷幾十年之后會出現老化等問題，特別是20世紀50～70年代修建的土石壩等。因此研究土石壩的治理對壩體安全具有重要的意義。目前已經有許多學者針對這一問題進行了研究，并取得了一定的成果。張文倬等[1]分析了土石壩滲流等相關激勵原則，并且介紹了相關的治理方法。紀偉[2]分析了土石壩的特點，從壩體內外原因出發，提出了初步的治理措施，為土石壩治理工作提供了一定的參考。黃勝方[3]分析了土石壩產生危害的類型和原因，分析了裂縫、滑坡等破壞特征產生的原因，提出了綜合智力的方法。陳軍[4]對土石壩進行滲流仿真，研究了滲流產生的原因。李樹楓、孫志明、郭衛華、曹國慶、趙永剛[5- 9]等學者也對土石壩的老化原因，加固措施進行了一定的研究。馬海兵[10]通過有限元軟件對壩體滲流進行了分析，并提出了加固方法。

1 基于ANSYS的土石壩滲流計算原理

本文基于ANSYS的滲流計算模塊對沖抓回填土石壩進行滲流計算，通過理論、微分方程和解析解三個方面說明ANSYS滲流場計算理論介紹，以說明采用ANSYS進行計算的合理性。

1.1 滲流場基本理論

根據達西定律可知，對于多孔介質滲流滿足以下方程：

(1)

式中，v—平均流量；Qs—滲流量；ks—深流系數；J—坡降，A—斷面的面積。

1.2 滲流場微分方程

對于不可壓縮各向異性非均質穩定滲流微分方程：

(2)

對于可壓縮各向異性非均質穩定滲流瞬態微分方程：

(3)

式中，h—測壓水頭；ksx—x方向的滲流系數；ksy—y方向的深流系數；ksx—z方向的深流系數；Ss—儲存量。

1.3 初始條件與邊界條件

滲流場的初始條件：

h|t=t0=h(x，y，z)

(4)

第一類邊界條件：

h|Γ1=h(x，y，z，t)

(5)

第二類邊界條件：

(6)

式中，hsn—沿邊界垂直方向的滲透系數；qs(x，y，z，t)—邊界上已知流速；?h/?n—滲流場為沿邊界垂直方向的梯度值。理論分析是數值模擬的基礎，滲流計算理論基礎較為完善，通過ANSYS進行滲流計算模擬也較為成熟。

2 沖抓回填處理土壩滲漏施工設計

2.1 沖抓回填處理滲漏特點

(1)工程量小，節省資源。與使用諸如傾斜墻、止墻或挖掘挖泥機這些防滲技術相比，上游回填技術僅需要一排或兩排井，回填工作量小，同時大壩建成之后，大壩周圍土體等材料相對匱乏，因此采用更節省資源的抗滲技術具有重要意義。

(2)施工周期短，進度快。沖抓機需要配備的施工人員每組11～19人。只要提前組織得當，對于中小型大壩的沖抓回填需要很短的周期即可完成。

(3)施工工序同時進行，施工器械簡單。前期施工打套井時，即可同時進行地質勘查，進而合理的設計深度、厚度。沖抓機設備簡單，上手快，容易維修，對于施工人員具有很大的優勢。

2.2 施工設計

沖抓回填施工工藝流程圖如圖1所示。

圖1 施工公藝流程圖

2.2.1 孔位布置，造孔施工

首先對壩體頂高等信息進行勘察，按照設計單位給定的壩體水準點和設計圖紙進行孔位布置，在位于套井左右兩側各10m處設置固定樁。造孔施工時必須按照施工圖紙施工，沖抓裝機必須與中心樁對準，在施工過程中要時常檢查成孔垂直度，誤差應該控制在3‰內，沖抓出來的土方，可以就近在下游坡進行利用。

2.2.2 回填夯實

在庫內灘地挖取黏土料，制作水泥摻入量為5%的水泥土。打井完畢后，應立即連續進行分層回填夯實。回填土前首先檢測施工土料的含水量，工地試驗室測試后以書面通知施工現場質檢員，由監理確定是否回填。夯土時要分層夯實，夯錘擊數20～25次。夯擊在落錘時，要保持幾秒鐘的穩定時間，以免造成夯錘碰撞孔壁，降低夯擊功能。回填土的含水量，虛土層厚度，錘擊次數等。

3 沖挖回填對土石壩滲透性影響實例分析

3.1 計算模型

某土石壩主壩為均質壩，壩頂高160m，最大壩高21m。壩頂寬約5.8m，壩頂軸線長65m。水庫正常蓄水位155m，設計洪水位156m，死水位138m。壩體模型如圖2所示，有限元模型網格采用三角形單元，共劃分66784個單元壩體，采用鄧肯-張本構模型，其他位置選用彈性本構模型，計算采用參數見表1、2。

圖2 壩體計算模型

材料ρφKnGD粘土心墻2.10251500.430.416塑型土2.15201000.40.382反濾料2.25457800.50.77主堆石料3.33608900.70.410

3.2 計算工況

根據SL274- 2001《碾壓式土石壩設計規范》，確定以下6種工況作為本次計算的典型工況。

表2 計算工況

3.3 計算結果

通過提取ANSYS計算結果，提取各工況下最大滲流速度、單寬滲流量、平均滲流坡降、滲流溢出點高程和滲透比降計算，計算結果見表3。

表3 滲流計算結果

(1)最大滲流速度

由表3可知，土石壩加固前后，最大滲流速度分別減小了96.77%、96.53%、96.4%。通過分析說明，沖抓回填加固后土石壩的滲流速度具有很大程度的降低，表明沖抓回填加固對控制滲流速度起到很重要的作用。

(2)單寬滲流量

由表3可知，土石壩加固前后單寬滲流量分別減小了72.69%、73.23%、71.74%。通過以上分析可知，沖抓回填加固后，土石壩的單寬滲流量有了大幅度的降低，表明沖抓回填對于控制土石壩的滲流量有重要的作用。

(3)最大平均滲透坡降

由表3可知，通過加固，最大平均滲透坡降加固后比加固前有了相當大程度的提升，主要是加固后土石壩的防滲能力增強，防滲效果明顯提升，致使防滲墻的浸潤線下降明顯，從而導致最大平均滲透坡降急劇增加。

(4)溢出點高程

由表3可知，加固前和加固后土石壩在三種工況下溢出點高程，分別下降5.8m、9.15m、9.68m，加固前滲流溢出點高于貼坡排水頂部，滲流對大壩下游邊坡穩定性影響較大，加固后溢出點高程降低，對下游邊坡穩定性影響小于對加固前邊坡穩定性的影響，說明沖抓回填加固對下游邊坡穩定具有很重要的作用。

(5)溢出點滲透比降

由表3可知，加固前后滲透比降分別下降89.70%、93.20%、84.07%。滲透比降作為一種校核下游壩坡穩定性的重要指標，通過以上分析可知，加固后溢出點滲透比降大幅度降低，說明采用沖抓回填加固對土石壩滲透坡降降低效果降低明顯，能明顯相抵滲透比降。

(6)壩體抗滑穩定性分析

大壩抗滑穩定安全系數與設計值見表4。

表4 各工況下大壩安全系數

根據規范，壩體在正常運轉情況下，安全系數應該不小于1.25，特殊工況下安全系數不應小于1.15。通過計算可知，各種工況下的最小安全系數均滿足規范要求，此種施工加固方法是合理的，壩坡不會發生失穩。

4 結論

(1)利用ANSYS的滲流模塊對沖抓回填加固前后的土石壩進行滲流模擬分析，計算結果表明：采用沖抓回填加固對土石壩滲流具有很好的控制作用，對于土石壩的除險加固具有積極作用。

(2)沖抓回填加固后，土石壩的最大滲流速度、單寬滲流量、溢出點高程、溢出點滲透比降，均有較大程度的下降，表明沖抓回填加固對土石壩滲流控制具有重要作用。

(3)沖抓回填加固后，土石壩的最大平均滲透坡降急劇上升，從而表明土石壩的浸潤線急劇下降，對于土石壩的安全具有重要作用。