復合土工膜防滲土石壩滲流仿真分析

劉炳明，張慶波，王海青

（1.連云港市贛榆區城頭鎮水利管理服務站，江蘇 連云港 222100；2.連云港市贛榆區水利局，江蘇 連云港 222100；3.連云港市贛榆區機電排灌管理站，江蘇 連云港222100）

復合土工膜滲透系數很小，具有防滲效果好、價格低廉、施工簡便等優點，但受人為及環境影響，土工膜施工過程中會產生破損，形成微孔，致使滲透系數變大，滲透機理發生改變。基于上述背景，本文研究應用復合土工膜防滲土石壩的滲透機理，借助有限元軟件，計算并評價某土石壩中采用土工膜防滲效果，得出了與實際工程的相關結論。

1 工程概況

某土石壩處于黃河干流上，大壩頂高程139.0m，最大壩高20.2m，壩頂寬度8.0m，正常高水位134.0m，下游無水時高程119.7m。為取得良好的防滲效果，大壩鋪設復合土工膜，其面積多達16萬m2。

2 土石壩有限元仿真分析

2.1 模型建立

選取大壩河槽段斷面開展分析，其河槽段設計斷面為：壩體與截流圍堰結合，建基在河槽砂礫石地基上。上游壩坡1∶2.75，采用復合土工膜斜墻防滲，復合土工膜下設0.15m厚中細砂墊層，上鋪0.20m厚礫石保護層，外設0.30m厚預制混凝土塊護坡。下游壩坡在127.20m高程設3.50m寬的馬道，馬道以上壩坡為1∶2.25，馬道以下壩坡1∶2.50，設置貼坡排水，其混凝土防滲墻與復合土工膜斜墻連接，形成封閉的防滲體系。混凝土防滲墻厚0.60m，墻底嵌入基巖1.50m。

根據斷面建立有限元模型，復合土工膜防滲土石壩滲流仿真分析流程如圖1。

圖1 流程

具體步驟如下：

（1）步驟1：CAD建模。建立復合土工膜防滲土石壩CAD模型，另存為dxf格式文件，將文件導入有限元軟件。建模時，為便于在有限元軟件中施加荷載，復合土工膜防滲土石壩壩體高程需選用Y坐標。

（2）步驟2：建立幾何面。導入的模型后，為便于實現從X，Y平面到Y，Z平面的轉換，需通過導入的點來建立幾何面。

（3）步驟3：模型建立好后，材料賦值、施加荷載、處理邊界條件等。滲流計算中將所需荷載施加于壩體，忽略了壩體與壩基間的相互作用，將壩體和壩基的接觸面設為三向約束。

（4）步驟4：網格剖分。此步驟所得有限元網格對仿真計算結果分析的準確性和經濟性起決定作用。計算時需考慮兩方面因素。一方面，要考慮網格的單元形狀、中間節點的位置、單元大小等。另一方面，需考慮網格剖分密度，若網格剖分過大，則可能導致計算結果不準確；若網格剖分過小，則可能計算時間過長，甚至可能導致計算機無法運行。復合土工膜防滲土石壩三維模型網格采用六面體及四面體結構化網格，共剖分了7281個單元，8247個結點，模型網格剖分如圖2。

圖2 土石壩三維模型網格剖分

（5）步驟5：求解計算。

（6）步驟6：計算結果分析。

2.2 模型相關參數數據取值

模型尺寸依照河槽段大壩剖面圖建立，選取上游水位134m，下游水位120m。復合土工膜防滲土石壩材料滲透系數的取值及允許坡降如表1。

表1 土石壩滲流計算參數

其中，對于復合土工膜的滲透系數的取值，按照擬合的新數學模型計算，其滲透系數：

2.3 仿真計算結果

經計算，得到了復合土工膜防滲土石壩的總水頭云圖、總水頭等值線圖、壓力水頭云圖、壓力水頭等值線圖及自由液面（浸潤面），如圖3～圖8。

圖3 土石壩總水頭

圖4 土石壩總水頭等值線

圖5 土石壩壓力水頭

圖6 土石壩壓力水頭等值線

圖7 土石壩壓力

圖8 土石壩自由液面（浸潤面）

由計算可得：復合土工膜防滲土石壩壩體滲流量9.46×10-7m3/s·m， 壩基滲流量1.71×10-4m3/s·m，滲流出口比降0.1224，允許比降0.10～0.20。復合土工膜防滲土石壩壩體基本處于非飽和狀態，浸潤線沿著土工膜快速下降，基本沿著地基河床分布。壩體壩基滲流總量較小，滲流出口的滲透比降滿足要求。

此外，基于浸潤線大致位置，經統計分析，各滲壓計的量測數值均大幅低于上游水位，進一步驗證了復合土工膜防滲土石壩滲流仿真結果。說明采用復合土工膜防滲的大壩的滲透性能良好。

3 結語

（1）依托某復合土工膜斜墻土石壩工程，借助有限元分析軟件，結合擬合公式確定土工膜當量滲流系數取值，開展了復合土工膜防滲土石壩仿真計算分析。計算發現復合土工膜具有良好的防滲效果，提高了水庫蓄水能力及土石壩的穩定性和安全度。

（2）進一步開展復合土工膜滲漏量試驗研究，探研復合土工膜缺陷滲漏量與相關影響因子關系，對比復合土工膜防滲土石壩滲流仿真分析結果，建立健全復合土工膜滲透機理。