基于Autobank的寧夏旗眼山水庫大壩滲流模擬與防滲方案研究

云 濤

(寧夏水利水電勘測設計研究院有限公司，寧夏 銀川 750000)

大壩滲流是影響大壩安全的主要因素之一[1]，研究大壩的滲流特性與防滲措施對于保障人民生命財產安全具有重要的現實意義[2]。滲流特性的研究主要包括確定浸潤線位置、滲流流速與坡降、滲流量等內容[3- 4]，一般可采用水力學法和流網法，隨著計算機技術與數值模型的發展，水力學法[5]正逐漸成為滲流分析的主要方式。大壩防滲可采取不同的措施，而不同措施會產生不同的效果[6]，因此需對其進行比較選擇；在傳統的防滲方案比選中，大多采用經驗判斷法或物理實驗法，前者的精確度相對較低，后者的造價成本較高；采用水力模擬法則既可保持低廉的成本，又可滿足工程的精度要求。在大壩滲流的水力模擬工具中，Autobank軟件具有專業性強、一體化程度高、操作簡便等優勢[7]，但目前較少應用于實際大壩工程案例的防滲方案優選中。本文以寧夏旗眼山水庫主壩為例，基于Autobank對不同防滲方案下的滲流過程進行模擬，得到壩體浸潤線、位勢分布、壩基日單寬流量、下游出逸滲透比降等參數，從而定量地評價各工程方案的效能，為大壩防滲加固措施的合理選擇提供參考。

1 工程概況

旗眼山水庫位于寧夏回族自治區靈武市，是靈武城市防洪體系的核心，擔負著靈武市區、城北工業區、靈武電廠及東塔鎮、靈武農場、臨河鎮、梧桐樹鄉等地的農田和人民群眾生命財產安全的保護任務。根據GB50201- 2014《防洪標準》及SL252- 2017《水利水電工程等級劃分及洪水標準》，旗眼山水庫為III等中型工程。大壩設計洪水標準50年一遇，校核洪水標準1000年一遇。對于現狀旗眼山水庫，考慮未來30年的水庫淤積情況時，壩頂高程仍能滿足防洪庫容的設計要求，故不需要加高，只對其進行整修加固。防滲加固可采取不同的工程方案，因此需對不同方案進行比選。

2 模擬原理與方法

2.1 基本模型

大壩的滲流模擬采用Autobank軟件，該軟件主要應用于土石壩、堤防等水工建筑物的防滲穩定分析中，可實現滲流、變形、應力、穩定計算的一體化，具有專業性強、整合程度高、操作簡便等優勢。Autobank軟件主要基于水力學方法進行滲流模擬，其控制方程為[7]：

(1)

式中，x，y—平面坐標；Kx，Ky—x，y軸方向的滲透系數；φ=φ(x，y)—待求水頭勢函數。

將滲流場用有限元離散，假定單元滲流場的水頭勢函數φ為多項式，由微分方程及邊界條件確定問題的變分形式，可得出線性方程組：

[H]{φ}={F}

(2)

式中，[H]—滲透矩陣；{φ}—滲流場水頭；

圖1 壩體典型斷面概化圖

{F}—節點滲流量。

對以上方程組進行求解，可得到節點水頭，據此可求得各計算單元的水力坡降和滲透水流流速等物理量;詳細的模型介紹與操作方法可參考文獻[7]。

2.2 模擬工況

為防止巖土產生變形，最為常見的措施是設置防滲墻，以之截斷滲透水流，降低滲透坡降，增加滲徑長度，同時改善部分土體抵抗滲透變形的能力；防滲墻又可分為水平與垂直等不同的布置類型。本文主要考慮5項不同的常見防滲工況，分別為現狀(不改變當前的防滲措施)、方案I(壩坡鋪膜)、方案II(壩坡鋪膜+水平鋪蓋)、方案III(壩坡防滲砌護+壩腳塑性混凝土防滲墻)和方案IV(壩坡砌護+壩中塑性混凝土防滲墻)，各方案的壩體典型斷面概化圖暨方案布置型式如圖1所示。

圖2 壩體典型斷面有限元計算網格

2.3 模擬條件

旗眼山水庫大壩滲流斷面的有限元計算網格如圖2所示。四邊形剖分單元一般具有數值收斂性好、迭代次數少、計算快等優點，因此計算網格主要選擇此類單元型式；但此類網格在復雜邊界部位具有相對較差的邊界適應性，因此在部分邊界部位采用三角網格的單元型式。采用現狀工況進行網格敏感性分析，結果表明，更細的網格基本不改變計算結果，因此網格的分辨率滿足工程要求。

表1 工程材料滲透特征參數

旗眼山水庫大壩的工程材料滲透特征參數主要依據《靈武市旗眼山水庫除險工程巖土工程勘察報告》等確定，整理結果見表1；其中滲透系數主要受土的顆粒形狀、大小、不均勻系數及水溫等特征的影響，是反映土體滲流特性的一個綜合指標；細顆粒含量主要指土體中粒徑小于2mm的顆粒的含量，是判斷土體是否易發生流土現象的重要指標；臨界滲透比降指滲透力等于土的浮容重時的水力坡降，是預測土粒是否會被滲透水流挾帶走的主要參數；允許滲透比降是衡量土體是否會產生滲透變形或破壞的重要標準。

根據SL274- 2001《碾壓式土石壩設計規范》，土壩計算應考慮水庫運行中出現的不利條件，一般考慮計算設計洪水與校核洪水兩種情況，其中旗眼山水庫大壩的上游設計水位為1189.68m、校核水位為1191.80m。

3 模擬結果與討論

3.1 浸潤線與位勢分布

以圖1所示的5項工況為研究對象，采用圖2所示的有限元網格型式，選取表1所列的工程材料滲透特征參數，運行Autobank軟件進行滲流有限元計算分析，得到不同防滲方案下的壩體浸潤線及位勢分布；其中設計洪水條件下的模擬結果如圖3所示。在圖3(a)中，壩體內自上游壩坡設計水位處至下游排水棱體處的下降曲線表示現狀方案下的浸潤線，代表壩體內滲流的流動范圍；自上游至下游的各條分布曲線依次表示90%～10%的位勢線，代表壩體內滲流的水頭差。

由圖3可知，在現狀條件下，洪水從水位的壩坡位置侵入壩體，浸潤線順延壩體內部下降，接近排水棱體基面時急轉，并從棱體溢出；所得結果與實際情況基本一致，驗證了本文方法的精確性；同時，壩體內浸潤線較高且水頭差較大，證明了防滲加固工作的必要性。在方案I條件下，浸潤線位置有所降低，在高于淤積面2～3m處侵入，并滲入壩體，從排水棱體溢出；壩體內的水頭差也有所下降。在方案II條件下，由于大壩上游護坡和水平鋪蓋下設置了復合土工膜，洪水不再從壩坡滲入壩體，使得滲流的滲徑明顯增加，壩體浸潤線明顯降低，從而有效地控制了壩體內的滲流范圍；同時，壩基內的最大位勢降低至30%以下，體現了該方案在消減滲透壓力方面的功效。在方案III和方案IV條件下，壩體浸潤線相對于其它方案均處于最低位，基本防止了壩體內滲流的出現；位勢線在防滲墻下部較小的方位內迅速自90%降低至10%，說明防滲墻消殺水頭作用明顯；通常情況下，水頭差較大處易出現滲透變形，但由于方案III和方案IV條件下的最大水頭差主要出現在較為穩固的礫巖層，因此可基本上避免此類破壞。校核洪水條件下的模擬結果與以上結論基本保持一致。綜上，各防滲方案均可減小壩體內的滲流流動范圍并消殺水頭，其中方案III和方案IV的效果最為顯著。

圖3 壩體浸潤線與位勢分布

3.2 壩體滲透量與滲透比降

運行Autobank軟件得到不同防滲方案下的壩體滲透量與滲透比降，結果見表2；其中“滲透量”和“滲透比降”分別表示壩基單寬流量和下游出逸滲透比降，“設計”和“校核”分別表示“設計水位”和“校核水位”。

由表2可知，在現狀條件下，壩體的滲透量超過15m3/(s·cm)，該值較大，且下游出逸滲透比降大于出逸處最大允許滲透比降(0.15)，不滿足工程要求，需要進行防滲處理。在方案I條件下，壩體的滲透量有所下降，但依舊高于10m3/(s·cm)，且下游出逸滲透比降大于允許滲透比降，不滿足要求。在方案II條件下，壩體的滲透量降低至10m3/(s·cm)以下，下游出逸滲透比降小于允許滲透比降，因此滿足防滲要求。在方案III和方案IV條件下，壩體的滲透量均大幅降低，保持在0.05m3/(s·cm)以下，下游出逸滲透比降均下降至0.002，遠小于允許滲透比降，滿足要求；方案III的滲透量小于方案IV，因此方案III在防滲方面的效果最佳。綜上，方案I不滿足防滲要求，其它方案中，方案III效果最佳、方案IV次之、方案II最差。

表2 壩體滲透量與滲透比降

4 結論

以寧夏旗眼山水庫大壩為例，采用Autobank軟件對5種不同的防滲工況下的大壩滲流進行了模擬，綜合模擬所得的壩體滲流浸潤線、位勢分布、滲透量、滲透比降等結果，可得到以下結論：

(1)壩體當前狀況不滿足防滲性要求，因此有必要采取合理的防滲措施；

(2)壩坡鋪膜方案不滿足防滲要求，因此不可采用；

(3)壩坡鋪膜+水平鋪蓋、壩坡防滲砌護+壩腳塑性混凝土防滲墻和壩坡砌護+壩中塑性混凝土防滲墻3種方案均可滿足防滲要求；

(4)在各方案中，壩坡防滲砌護+壩腳塑性混凝土防滲墻方案的防滲效果最佳，但壩坡鋪膜+水平鋪蓋則相對較差。

本文研究可為大壩的防滲加固提供科學依據，但最終方案的選擇除了考慮工程措施的防滲效果以外，還需考慮方案在社會、經濟與環境等方面的效益，因此在以后的研究中，可以綜合不同的角度來評價各工程方案的優越性，并與本文研究成果相結合，做出更為全面的方案優選決策。