基于Midas的不同土石壩防滲體系效果分析

彭 昆，馬雅麗

(武漢珞珈山水設計咨詢有限公司，武漢 430000)

1 概 述

相比于混凝土壩，土石壩壩身不能過水，因此需要有良好的防滲設施控制滲流。土石壩壩體常用的防滲設施有心墻和斜心墻，壩基防滲設施有水平防滲鋪蓋和垂直防滲墻[1-3]，每種防滲體系適用的地質條件有較大差別，防滲效果也有一定的差異，很多工程[4-6]在設計時對防滲墻、劈裂灌漿、斜墻等防滲措施進行了方案計算比選，從而確定最優的防滲方案。在土石壩滲流計算方法中，有限元數值模擬能較為準確直觀地計算土石壩滲流情況[7-8]，工程上針對土石壩防滲墻的參數對滲流影響情況的數值模擬研究較多[9-11]，但是針對斜心墻、水平鋪蓋等幾種常用防滲措施的防滲機理及其防滲效果并沒有作深入比較研究。因此，本文將分別對土石壩常用的心墻+混凝土防滲墻、斜心墻+水平鋪蓋兩種土石壩防滲體系進行滲流計算，分析比較每種防滲體系的防滲效果和機理，以期為類似工程提供參考。

2 有限元滲流計算原理和計算模型

2.1 滲流計算原理

土石壩的滲流遵循達西定律[12]，達西定律微分方程見式(1)。

(1)

式中：υx，υy，υz分別為X，Y，Z方向的滲流流速，m/s；kx，ky，kz分別為X，Y，Z方向的滲流系數，cm/s；h為測壓管水頭，m。

不可壓縮液體的連續性方程為：

(2)

將式(1)帶入式(2)中，可得穩定滲流下的土石壩滲流微分方程：

(3)

假設土體各項同性，即kx=ky=kz，將式(3)化簡可得：

(4)

土石壩滲流邊界示意圖見圖1。

圖1中，H1為上游穩定的正常蓄水位，H2為下游壩坡水位，下游壩坡滲流出漏點高度為y。

圖1 土石壩滲流邊界示意圖

2.2 滲流計算模型

本文采用Midas gts nx 有限元軟件對兩種不同體系的土石壩進行滲流分析。壩頂高程為650 m，壩體高度為50 m，正常蓄水位548 m，上游壩坡坡度為1∶1.5，下游壩坡坡度為1∶2.0，為自由滲流面。計算模型長度取值600 m，地基的計算深度取值58 m。其中，覆蓋層厚約20 m，斜心墻頂部寬度為3 m，底部寬度5 m；心墻頂部寬度為3 m，底部寬度8 m，水平鋪蓋端部厚度為2 m，末端厚度為5 m，混凝土防滲墻厚度為2 m，深度為30 m。計算模型剖面圖見圖2、圖3。

圖2 斜心墻+水平鋪蓋防滲體系土石壩剖面圖

圖3 心墻+混凝土防滲墻防滲體系土石壩剖面圖

有限元計算參數見表1，計算采用的本構模型為Mohr-Coulomb。

表1 有限元計算參數表

3 有限元計算結果分析

3.1 滲流壓力水頭分析

圖4為兩種防滲體系下壩體內部壓力水頭云圖。從圖4中可知，兩種防滲體系均起到了減小壩體內部水頭壓力的作用。其中，斜心墻+水平鋪蓋防滲體系下，壩體在斜心墻兩側水頭分別為100和74 m，差值約為28 m，約占上游壩體水頭的28%； 心墻+混凝土防滲墻體系下，心墻兩側水頭分別為92和58 m，差值為34 m，約占上游壩體水頭的37%。

圖4 壩體壓力水頭云圖

3.2 滲徑分析

圖5為不同防滲體系下土石壩滲徑云圖。從圖5中可以看出，斜心墻+水平鋪蓋防滲體系下，土石壩的滲徑在壩體中經過斜心墻先上升再急劇下降，在地基中幾乎成水平向下游滲透，滲徑長度較長，而水頭差較小，庫水在下游壩面靠近地基位置處滲出；在心墻+混凝土防滲墻防滲體系下，土石壩滲徑在壩體中經過心墻之后，水頭急劇下降，在地基中繞過混凝土防滲墻，說明混凝土防滲墻對阻斷滲徑、減小壩基滲透起到較為明顯的作用。滲徑長度較短，但是水頭差較大，庫水在下游靠近壩面的基地表面滲出。

圖5 不同防滲體系下土石壩滲徑

3.3 浸潤線分析

圖6為兩種防滲體系下土石壩的浸潤線。從圖6中可知，浸潤線在經過心墻和斜心墻后急劇下降，斜心墻由于位置靠近壩體上游，因此整個壩體浸潤線較低；而心墻土石壩由于心墻位置在壩體中部，因此浸潤線較高的壩段較長。由此可知，斜心墻對于降低整個壩體的浸潤線效果更加顯著。

圖6 不同防滲體系下土石壩浸潤線

3.4 滲流量分析

表2為兩種不同防滲體系下土石壩單寬滲流量統計表。從表2中可知，由于壩體中有防滲體存在，兩種防滲體系下壩體中的滲流量均小于地基中的滲流量。由于心墻+防滲墻防滲體系能夠有效阻斷滲徑，而壩體上游的水平鋪蓋只能起到延長滲徑的作用，因此其壩體和地基滲流量均要小于斜心墻+水平鋪蓋防滲體系下壩體和地基的滲流量。

表2 土石壩單寬滲流量統計表

4 結 論

通過Midas gts nx有限元軟件對兩種防滲體系進行了滲流模擬計算，比較兩種防滲體系的防滲效果和防滲機理，主要結論如下：

1) 心墻+混凝土防滲墻體系相比斜心墻+水平鋪蓋更能有效阻斷滲徑，而斜心墻+水平鋪蓋防滲體系比心墻+混凝土防滲體系的滲徑更長，但是滲徑上的水頭差更小。

2) 斜心墻在土石壩壩體中的位置更加靠前，因此較心墻土石壩而言其更能有效降低整個壩體浸潤線高度。

3) 兩種防滲體系下，壩體的單寬滲流量均大于地基中的滲流量，而心墻+混凝土防滲墻防滲體系下壩體和地基中的滲流量更小，防滲效果更好。