淤地壩蓄水加固改造方案的滲流和穩定性分析

王亮 聶興山 郝瑞霞

摘 要：為對淤地壩進行蓄水加固改造，基于流固耦合理論和強度折減法，應用ABAQUS有限元軟件，對賀家莊淤地壩蓄水運行進行了滲流和穩定性分析，提出了黏土斜墻、土工膜等防滲改造思路，計算分析了各改造方案的穩定性和滲流特性。結果表明：采用的數值模擬方法與常用的傳統方法比較是可行的;賀家莊骨干淤地壩作為水土保持工程措施，原設計不考慮長期蓄水，若按設計標準正常蓄水，其穩定性不滿足要求，需進行加固改造，且僅使用上游壩坡放緩的方式很難達到預期的效果;土工膜改造方案和黏土防滲斜墻改造方案均能提升壩體安全系數、降低浸潤線位置和減少滲透量;在原壩體上游坡鋪設土工膜方案和鋪設厚度為3 m的黏土斜墻均能滿足穩定性要求。

關鍵詞：淤地壩;流固耦合理論;ABAQUS軟件;防滲加固;滲流分析;穩定性分析

中圖分類號：TV64 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.04.026

引用格式：王亮，聶興山，郝瑞霞.淤地壩蓄水加固改造方案的滲流和穩定性分析[J].人民黃河，2021，43（4）：137-141.

Abstract： In order to impound and reinforce warping dams， based on the fluid solid coupling theory and strength reduction method， this paper analyzed the seepage and stability of Hejiazhuang warping dam during its impoundment operation by using ABAQUS finite element software， put forward the ideas of seepage prevention and reconstruction such as clay inclined wall and geomembrane and calculated and analyzed the stability and seepage characteristics of each reconstruction scheme. The results show that： the numerical simulation method used in this paper is feasible compared with traditional methods; as a water and soil conservation measure， Hejiazhuang main warping dam did not consider long-term water storage in the original design. If the water storage is normal according to the design standard， its stability does not meet the requirements， so it needs to be reinforced and reconstructed， and it is difficult to achieve the expected effect only by using the way of upstream dam slope slowing down; both the geomembrane reconstruction scheme and the clay inclined wall reconstruction scheme can improve the safety coefficient of dam body and reduce the position of phreatic line and reduce the seepage; the scheme of laying geomembrane on the upstream slope of the original dam body and the laying of clay inclined wall with the thickness of 3 m can meet the stability requirements.

Key words： warping dam; fluid-solid coupling theory; ABAQUS; seepage prevention and reinforcement; seepage analysis; stability analysis

黃土高原地區傳統淤地壩作為一項水土保持工程措施，在建造時沒有采取防滲措施，不具備長期蓄水的功能。為了應對山西省水資源短缺的現狀，對過去建設的大量淤地壩提出了蓄水加固改造的思路[1-2]，而淤地壩蓄水運行加固改造的關鍵技術問題是壩體的防滲和穩定性。

早期，受計算工具的限制，滲流分析主要采用流網法、電模擬試驗法等，邊坡穩定分析常使用極限平衡法。隨著計算機技術的發展，數值分析方法逐漸成為滲流和穩定性計算的主要方法[3]。在土壩滲流作用下進行穩定分析時，一般將滲流場和應力場視為兩個互不影響的場分別進行計算分析，黃茂松、毛昶熙等[4-5]使用有限元法對壩坡進行滲流計算，將計算結果作為初始條件，再進行穩定計算。實際上，壩體的滲流場和應力場并不是單獨作用的，滲流場的滲流體積力和滲透壓力會以外荷載的方式作用于壩體，改變壩體應力場，而應力場的變化會通過改變土體孔隙率和滲透系數來影響滲流場[6-7]。

隨著有限元法的發展，土壩在滲流作用下的穩定計算愈加符合實際情況。20世紀中期，Biot[8]以有效應力理論為基礎，建立了土體三維固結理論，為孔隙介質流固耦合研究奠定了基礎;在此基礎上柴軍瑞、陳曉平等[9-10]以均質土體的滲透特性為基礎，提出了滲流場和應力場耦合分析的數學模型，進行了解法討論，并建立了相應的非線性流固耦合分析模型;針對邊坡、隧道和基坑開挖等工程，李宗坤、Asadollahi、平揚等[11-13]使用有限元法對其進行流固耦合分析，驗證了流固耦合分析的合理性。

本文在考慮滲流場與應力場耦合的基礎上，利用強度折減的有限元法對賀家莊骨干淤地壩進行滲流和穩定性分析。根據工程實際情況，提出了改造措施和方案，并分析了各方案對壩體滲流和穩定性的影響。

1 計算原理

1.1 流固耦合計算原理

對于淤地壩來說，由上下游水位差形成的水壓力通過透水介質以滲透體積力的形式作用于土體，其大小和分布規律將直接影響應力場和位移場;壩體應力場的改變，使巖土介質產生壓縮變形和固結，導致土體孔隙比發生變化，從而改變土體的滲透系數。ABAQUS軟件通過建立以應力場和滲流場為未知量的數學模型來實現流固耦合分析。應力場和滲流場耦合有限元模型的矩陣形式[11]為

滲流邊界條件提供水頭，應力邊界條件提供外荷載，變化的滲透系數由水-土特征曲線確定，以各土體單元節點的位移和孔隙水壓力為未知量進行求解。

1.2 強度折減法基本原理

在理想彈塑性有限元計算中，常使用強度折減法得到邊坡穩定安全系數，基本原理：將土體抗剪強度參數黏聚力c和內摩擦角φ按式（2）進行折減，得到新的黏聚力cm、內摩擦角φm并用于邊坡穩定計算，通過不斷增大折減系數Fr，直至土坡達到臨界破壞狀態，對應的折減系數Fr即為邊坡穩定安全系數。

1.3 本構模型

有限元強度折減法常使用巖土材料中的理想彈塑性模型，如Mohr-Coulomb模型和Drucker-Prager模型，這兩種模型各有特點，Mohr-Coulomb模型計算穩定可靠，能描述巖土材料的屈服特性[14]。本文使用Mohr-Coulomb模型進行計算。

2 模型設置及驗證分析

2.1 工程概況

賀家莊骨干淤地壩工程位于山西省運城市鄭溝流域中游。該壩壩型為均質碾壓土壩，筑壩材料為中輕粉質壤土。大壩高23.0 m，壩頂高程為453.0 m，壩頂寬為4.0 m，壩頂長為110.0 m，上游邊坡1∶2.5，下游邊坡1∶2、1∶1.5，下游馬道在壩高12 m處、寬1.5 m，工程等級為5級。壩體剖面見圖1，工程平面布置見圖2。上游校核洪水位為450 m，在該工況下上游水深20 m，下游校核洪水位為430 m，在該工況下下游水深0 m。總庫容為59.4萬m3。上下游均采取植物護坡。

2.2 模型設置

考慮到壩基對滲流和應力穩定分析的影響，上下游各設置50 m長、20 m深的壩基作為計算區域。壩基底部約束水平和豎向位移，壩基兩側約束水平位移，上下游壩坡、河道和壩基兩側均為透水邊界;模型整體施加重力荷載，上游壩坡施加靜水荷載及等效的孔隙水壓力;模型整體設置初始飽和度為1。本文使用CPE4P四節點平面應變四邊形單元，原壩體計算模型共剖分139 208個單元、140 353個節點;當上游壩坡有材料分層時，對其進行網格細化，局部細化網格見圖3。

土工膜厚度通常為毫米級別的，在數值模擬中很難對其進行建模計算。毛昶熙、介玉新等[15-16]提出土工膜在數值模擬中可按當量滲透系數來處理，即把很薄的土工膜等效為有一定滲透系數且厚度較大的材料。根據土工膜防滲效果等效原則，要求土工膜在主要防滲方向（厚度方向）上滿足下式：

實驗室中通過滲透試驗測得的土工膜滲透系數一般為1×（10-13～10-15）m/s，本文取0.5 mm厚的土工膜，其滲透系數為1×10-14 m/s，等效厚度為3 m，等效滲透系數為1.0×10-10 m/s。

模型各部位材料參數見表1。

2.3 模型驗證

對原壩體進行流固耦合分析，強度折減法通常有三種失穩判據：①在給定的迭代次數及特定限值條件下，計算不能滿足所要求的收斂條件，則認為壩體失穩;②繪制模型內某一特征節點的位移與折減系數的關系曲線，當關系曲線出現明顯拐點，即該特征節點位移突然增大，則認為壩體失穩;③當模型內的等效塑性區域貫通壩體時，則認為壩體失穩。本文采用被大多數學者使用的第一種判據，得到原壩體安全系數為1.080。同時采用瑞典圓弧法和簡化Bishop法計算得到的原壩體安全系數分別是1.060和1.068，可以看出流固耦合法計算的安全系數大于極限平衡法所得安全系數，但相差僅1%～2%，該結論與其他研究者所得結論[14-17]一致。圖4為使用流固耦合方法和水力學兩段線法得到的壩體浸潤線，流固耦合方法所得滲流逸出點高度較水力學兩段線法的高2%，兩種方法計算所得浸潤線位置基本一致，證明本文使用流固耦合方法對壩體進行滲流和穩定性分析是可行的。

3 改造思路及方案

在蓄水狀態下，原壩體安全系數不滿足規范要求，易發生失穩破壞，需要進行加固防滲改造，而該壩下游有大面積耕地不宜占用，故以改造上游壩坡為主。賀家莊骨干淤地壩附近的土壤以紅黏土為主，將紅黏土作為防滲斜墻材料時，其滲透系數可達到1×10-9 m/s。土工膜作為近些年來被國內外廣泛采用的防滲材料，具有防滲性能好、造價低廉、施工方便快捷等優點。因此本文防滲改造思路主要為三點，一是放緩上游壩坡;二是在上游壩坡鋪設黏土防滲斜墻;三是在上游壩坡鋪設復合土工膜，復合土工膜規格為兩布一膜（250 g/m2）。其中放緩上游壩坡設置邊坡系數分別為2.75和3.00兩種方案;上游壩坡鋪設黏土斜墻設置上游邊坡系數m分別為2.50、2.75和3.00三種方案。改造示意見圖5。

黏土斜墻防滲方案的上游壩坡從上至下依次為：30 cm厚干砌石護坡、50 cm保護層、3 m厚黏土斜墻（指水面處垂直厚度，各方案稍有不同）、20 cm厚墊層。復合土工膜防滲方案依次為：30 cm厚干砌石護坡、50 cm保護層、復合土工膜、20 cm厚墊層，下游壩坡維持不變。各防滲方案設置見表2。

4 計算結果和分析

各方案滲流和穩定計算結果見表3。典型方案B1和C1的浸潤線與原壩體的對比見圖6。

典型方案B1和C1臨界破壞狀態塑性應變見圖7。

計算結果表明：

（1）當放緩上游坡時，隨著上游坡度的變緩，滲徑隨之延長，滲流溢出點高度逐漸降低，單寬滲流量逐漸減小，與原壩體相比，方案A1、A2的滲流溢出點高度分別降低0.58%、1.95%，單寬滲流量分別減小1.95%、4.06%;方案A1、A2安全系數分別為1.083、1.091，均小于規范要求的1.15，滲流溢出點水力坡降分別為0.69、0.55，均大于允許水力坡降0.5，改造效果不明顯。

（2）黏土斜墻防滲方案可以有效地降低水流進入原壩體的入滲點高度，從而降低浸潤線，減小滲流量，增強壩體穩定性，與原壩體相比，方案B1、B2和B3的滲流溢出點高度分別降低69.53%、74.82%和76.47%，單寬滲流量分別減小69.77%、73.95%和76.74%，安全系數分別增大34.63%、38.52%和39.35%，3個方案的滲流溢出點水力坡降和安全系數均滿足滲流安全和壩體穩定要求。隨著黏土斜墻底部水平厚度的增加，方案B1、B2、B3的滲流溢出點高度和單寬滲流量也逐漸減小，但整體上變化幅度逐漸減少。

（3）復合土工膜防滲性能好，能夠有效地減小滲透量、降低浸潤線，與原壩體相比，采用復合土工膜防滲的方案C1滲流溢出點高度降低93.37%，單寬滲流量減小92.23%，安全系數增大57.69%，滲流出口水力坡降為0.11，小于允許水力坡降。

（4）在壩體失穩破壞過程中，塑性應變最先發生在壩基中部，隨著破壞程度的加深，塑性應變區域延伸至壩體，最終臨界破壞狀態下，形成由壩腳至上游壩頂處的類圓弧狀的塑性應變區域。原壩體及方案A1、A2的臨界破壞狀態塑性應變僅發生在壩體區域，而方案B1、B2、B3和C1的臨界破壞狀態的塑性應變區域會延伸至壩基2～3 m深處，說明部分壩基參與了整體抗滑，提高了壩體穩定性，所以黏土斜墻防滲方案和復合土工膜防滲方案的安全系數值也相應更大。

5 結 論

本文使用流固耦合方法對賀家莊淤地壩蓄水加固改造方案進行滲流和穩定性分析，并對各改造方案效果進行比較，得到如下結論：

（1）采用流固耦合方法，對改造前蓄水情況下賀家莊淤地壩進行滲流和穩定性分析，所得安全系數與使用極限平衡法得到的安全系數相差1%～2%，浸潤線位置與傳統水力學方法得到的結果十分接近，滲流逸出點高度相差2%，驗證了本文所使用的流固耦合模型計算結果的可靠性。

（2）賀家莊淤地壩若按設計標準正常蓄水，其滲流安全和壩體穩定性均不滿足要求，需要進行防滲加固改造，而僅使用放緩上游壩坡的措施很難滿足正常蓄水要求。

（3）對賀家莊淤地壩上游壩坡采用黏土斜墻進行防滲，與改造前相比，改造方案B1、B2、B3滲流逸出點高度

降低63%～75%，單寬滲流量減少63%～73%，壩體安全系數提高31%～37%，均能滿足滲透和穩定性的規范要求，但方案B1工程量最小。

（4）采用復合土工膜進行防滲改造，能使滲流逸出點高度

降低93.37%、單寬滲流量減少92.23%、壩體安全系數提高57.69%。與方案B1比較，其防滲效果更好些。

（5）經分析，在原壩體上游坡鋪設土工膜方案和鋪設厚度為3 m的黏土斜墻方案均是可行的。從防滲效果上考慮，鋪設土工膜方案更優。具體采用哪種方法需結合當地材料、經濟等因素綜合考慮。

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【責任編輯 趙宏偉】