基于ANSYS計算下水庫土石壩滲流場與應力變形場特性分析研究

邱德俊，仲靜文，周 洋

(南京市水利規劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210022)

水庫在蓄水運營過程中，水流對壩體的滲流特性，會一定程度對壩體滲流與應力變形產生較大的影響，并促進壩體內部滲流活動和增大壩體應力集中，造成壩體失穩，因而水利大壩類滲流安全穩定性是水庫運營重要關注方面[1-3]。針對土石壩安全穩定性，有些學者通過在壩體內部安裝傳感器，長期監測壩體運營狀況，獲得壩體滲流與應力變形數據，并分析數據之間的內在聯系，作為評估大壩安全穩定重要參考[4-6]。水工模型試驗是室內水工結構穩定性研究的重要手段，劉睿璇、劉小生等通過在室內構建土石壩水工模型，進行潰壩、滲漏破壞等破壞性試驗，研究大壩滲流安全與應力變形臨界允許區間，為工程中大壩安全設計提供數據參考[7-9]。數值仿真是工程中常用研究復雜工況的措施，針對不同滲流工況壩體安全穩定性[10-12]，計算獲得壩體滲流場與應力變形場，及時高效獲得水庫壩體應力變形狀態，為水庫蓄水穩定性評估提供重要參考。

1 研究區概況

1.1 工程概況

某水庫為安徽省東部地區重要蓄水工程，設計總庫容為1800萬m3，承擔著區域內豐、枯水期水資源調度任務，該水庫還承擔著周圍40 000 hm2農田灌溉，已建設輸水渠道68.0 km，可在原有灌溉效率基礎上提升23%， 另根據地區水資源規劃年表可知，水庫還是該地區工業用水重要來源，占規劃年供水的26%。水庫樞紐工程包括壩體工程與輸水渠道兩部分，其中壩體工程又涵蓋了泄洪閘、消能池等水工結構設施，輸水渠道主要以輸水隧道和干渠為主。設計壩頂高程為2205.0 m，大壩總長度約為315.0 m，設計高度為87.5 m，壩頂寬度為8.8 m，上游坡比約為1∶1.5，水庫正常蓄水位高程為2202.5 m，為保證大壩滲流穩定性，以60.0 cm厚度的防滲墻插入壩基上覆蓋層中，壩體表面設置有土工隔膜防滲網，每個網格單元可降低滲漏量5.5 m3/s。輸水渠道設計控制流量為0.9 m3/s，渠道已采用格賓石籠的襯砌結構型式連接至輸水隧洞。水庫的建設極大緩解了該地區水資源供需關系不平衡，缺水率過高的狀況。

1.2 水庫現狀問題

根據現場調查發現，水庫目前存在以下幾個方面的問題。

(1)壩體滲漏。部分區段壩體內安裝有傳感器，發現局部地段內水力坡降在水位變化過程中趨于平緩狀態，地下水低于庫容水位等現象，局部地段監測到滲漏量。

(2)泥沙淤積。由于周圍岸坡侵蝕嚴重，造成岸坡內部分巖土體發生滑坡或崩塌時，均被卷入水庫內，造成水庫內淤積較多泥沙等懸浮物質。

(3)岸坡穩定性。岸坡內粉、砂土形成的潛在滑動面，在外界降雨等影響下，極易發生邊坡失穩，對水庫大壩穩定性均有一定的影響。

在上述工程調查及室內巖土試驗基礎上，表明水庫局部地區大壩出現滲漏及安全穩定威脅，為保證水庫安全運營，應對水庫壩體開展滲流與變形分析。

2 大壩滲流場分析

2.1 模型構建與計算參數

針對該水庫土石壩滲流場特性計算，選擇樁號1+175～1+235區段開展有限元建模計算，按照實際剖面資料繪出幾何剖面圖，如圖1所示。給出土石壩體兩個特征部位左側壩肩與右側壩肩三維網格模型圖，如圖2所示。本文在計算滲流場時，以壩體特征部位上典型斷面為例分析。邊界條件中的上下游水位分別為132.6 m、125.3 m，巖土體材料參數以室內土工試驗依據計算。

圖1 幾何剖面圖

圖2 左側壩肩與右側壩肩三維網格模型圖

2.2 穩定滲流

本文共計算了壩體六個特征部位的穩定滲流場，將土石壩分為左右兩側，分別與岸坡連接，另還有與混凝土壩體交界面。

圖3為左側土石壩的網格圖及2個特征剖面滲透壓力云圖，1-1為未設置防滲墻剖面，2-2為設置有防滲墻結構剖面。從圖3中可看出，左側壩肩1-1剖面上滲透壓力分布處于平穩不變狀態，剖面上呈層次性分布，計算出1-1剖面上游水位高程為130.5 m，而下游水位高程基本與之一致，亦為130.5 m，即不存在顯著水頭差；相反，在2-2剖面上游水頭值為130.5 m，但下游水頭降低了2.1%，達127.8 m，即防滲墻存在，一定程度上削弱了水頭在上下游的平穩過渡。

圖4為左側壩肩與岸坡連接處特征剖面滲透壓力云圖，1-1特征剖面處設置有防滲墻結構，從圖中可看出，防滲墻前后水位降低了5.5%，而在防滲墻結構后，壩體內滲透壓力區間界線基本保持水平，表明即使在防滲墻后存在較大滲透系數的巖土材料，但其滲透壓力基本不會損失，即滲漏量對防滲墻后材料滲流穩定下威脅較小。從最大滲透壓力可看出，三個特征剖面上最大滲透壓力均分布在基巖層上，其中以1-1剖面上滲透壓力最大，達293.6 kPa，由于防滲墻底部基礎設置在基巖層上覆蓋土層中，故而應考慮加深防滲墻插入深度。

圖3 左側土石壩滲透壓力云圖

圖4 左側壩肩與岸坡連接處滲透壓力云圖

圖5為右側土石壩滲透壓力等值線圖，從圖5中可看出，由于在土石壩與混凝土壩接觸部位設置有防滲墻與止水面板系統，上、下游水位高程均發生一定變化，其中，下游水位相比上游水位高程降低了8.0%，下游水流逸出點高程甚至降低了9.5%，其中土石壩與混凝土壩接觸截面上，滲透壓力為0，而在土石壩防滲墻后內部滲透壓力387.5 kPa以上，但在接觸界面上甚至為0，分析出現這種現象主要是由于防滲墻與土工膜的防滲系統是一種外在施加給壩體的防滲結構，實質上土石壩體內部材料滲透系數仍然較大，但混凝土壩相比來說，滲透系數較低，而這種極低的滲透系數防滲效果遠遠高于土石壩體的外在防滲結構，故而當土石壩體與混凝土壩體接觸時，界面上滲透壓力為0。

從右側土石壩滲透壓力等值線可看出，在土工膜止水系統前后，土石壩上浸潤線發生下降，由上游的126.6 m下降至124.5 m，浸潤線共下降2.1 m,即土工膜防滲系統一定程度能降低壩身浸潤線，提升壩體滲流安全性。相比左側土石壩，右側土石壩最大滲透壓力增大了36.9%，達402.0 kPa。從整體滲流安全性來看，右側土石壩浸潤線較低，但滲透壓力較高。

圖5 滲透壓力云圖與等值線圖

2.3 非穩定滲流

水庫運營過程中不僅存在穩定滲流狀態，當地區突降暴雨或枯水季時，庫水位的突升與突降均會一定程度造成壩體內部產生非穩定滲流，因而模擬壩體上游水位突降與突升過程中非穩定滲流特性，突升變化為133.0 m增大至135.0 m，突降為水位134.0 m降至131.0 m。

圖6為突降與突升過程中右側岸坡內部滲透壓力變化云圖，從圖6中可看出，初始滲透壓力為500.1 kPa，水位降低至目標水位后，滲透壓降低了3.6%，為482.0 kPa，不論是初始水位亦或是降低至目標水位后，壩體內部浸潤線位置實質上并未發生較大改變，由于土工膜存在，在水位突降過程中非穩定滲流活動受到抑制，故而呈現浸潤線不隨滲透壓力變化而改變。水位突升過程中浸潤線變化與前者工況有所類似，僅在初期狀態下發生一定的上升，但在后期水位上升變化過程中，基本未發生較大變化，并維持穩定在125.5 m左右，滲透壓力變化從初期499.7 kPa增大至后期的513.0 kPa。由此表明，在水位突升或突降過程中，壩體內部的非穩定滲流主要在防滲結構系統內部發生，而對壩體滲流穩定幾乎無顯著影響[13-14]。

圖6 右側岸坡內部滲透壓力變化云圖

為了準確了解壩體非穩定滲流狀態，獲得防滲墻上滲透壓力云圖，如圖7所示。在水位突升過程中，滲透壓力最大可達到598.7 kPa，且最大滲透壓力僅分布在防滲墻剖面表面，在深層中滲透壓力仍然較小，以285.8～332.3 kPa滲透壓力為主，整體上滲流區間界線處于水平狀態，非穩定滲流活動限制較強。在突降過程中亦是類似，其最大滲透壓力達628.2 kPa。綜合可知，不論是從浸潤線亦或是上下游水流逸出點高程來看，壩體自身所存在的防滲墻等防滲結構系統可抵御穩定與非穩定滲流活動。

3 大壩應力場與位移場分析

根據穩定滲流設計工況下水位條件，求解壩體6個特征部位結構應力與位移特征參數。此6個特征部位分別為左岸、右岸土石壩，左側岸坡肩與土石壩連接處，右側岸坡肩與土石壩連接處，左側土壩與混凝土壩連接處，右側土壩與混凝土壩連接處。仿真模型計算結果在X正向為順河流下游，Y正向為沿壩軸線向右，Z正向為壩體垂直向上方向。

圖7 防滲結構滲透壓力云圖(突升、突降剖面)

3.1 穩定滲流工況

根據壩體各部位結構應力場與位移場最大值，將六個特征部位以A～F特征部位點代替，獲得各部分結構處最大應力、位移變化曲線，如圖8所示。

圖8 位移、應力變化曲線

從圖8中可看出，X向位移最大值位于右側土石壩肩與混凝土壩連接處，為3.61 mm，但實質上左側土石壩肩與混凝土壩連接處最大位移亦與之相近，為3.60 mm；左、右側土石壩X向位移較小，穩定在0.70～1.15 mm，即沿水流(X向)方向位移土石壩處于較低水平。左、右側土石壩肩與混凝土壩連接處Y向位移一致，均為4.10 mm，土石壩Y向位移仍然較小，最大僅為0.30 mm。Y向最大位移出現在右側岸坡肩與土石壩連接處，達6.2 mm。左、右岸坡肩與土石壩連接處，左、右側土石壩肩與混凝土壩連接處兩兩Z向最大位移值一致，分別為42.9 mm、41.4 mm，其中最大位移為42.9 mm方向向上，土石壩體沉降值最大僅為19.6 mm，位于左岸土石壩，為壩高的0.02%，符合規范要求允許值。各特征部位處第三主應力水平均高于第一主應力，其中第一主應力最高為左、右側土石壩肩與混凝土壩連接處，達152.6 kPa，屬拉應力，相比于原材料抗拉強度值，均處于安全范圍，左、右側土石壩最大拉應力值分別為35.2 kPa、14.8 kPa，相比土石壩所能承受最大拉應力值，處于合理區間。最大壓應力為1957.5 kPa，屬右岸坡肩與土石壩連接處，左、右側土石壩最大壓應力為前者的45%～55%，壓應力值相比材料抗壓強度較小。綜合位移場與應力場計算可知，壩體安全穩定性良好。

3.2 非穩定滲流工況

非穩定滲流工況中，以右側土石壩水位突升工況下位移場為例分析，獲得如圖9所示結果。從圖9中可看出，X向最大位移值為0.7 mm，Y向位移最大值為0.1 mm，從分布形態來看，X向位移中上游側高于下游側，Y向最大位移貫穿壩頂，穿過上、下游側，但量值均處于較低水平；Z向沉降位移最大為15.0 mm，為壩高的0.017%，遠遠低于規范要求的臨界1%壩高。對比穩定滲流工況，非穩定滲流工況中土石壩在各方向上的位移值均低于前者，即非穩定滲流工況實質上對壩體應力位移場擾動幾乎是無影響。應力場以水位突降時岸坡肩與土石壩連接處為例分析，如圖10所示，最大拉應力為49.2 kPa，位于壩身表面，最大壓應力為1959.5 kPa，均符合材料安全強度。相比穩定滲流工況，最大拉、壓應力實質上并未發生較大變化，最大拉應力僅增長了14.5%，壓應力甚至相差僅為2.0 kPa。分析表明，非穩定滲流工況中，壩體各方向位移值與應力值變化均處于合理區間，穩定性較好。

圖9 右側土石壩體位移場分布

圖10 岸坡肩與土石壩連接處應力云圖

4 結 論

利用ANSYS軟件計算了水庫土石壩體6個特征部位穩定與非穩定滲流場、應力變形場特性，有以下幾點結論。

(1)研究了穩定滲流工況下，壩體各特征部位結構在防滲墻等防滲措施下均會出現浸潤線降低、水流逸出點高程下降等現象，防滲措施效果顯著；左側土石壩、左側壩肩與岸坡連接處分別在防滲墻前后水頭降低了2.1%、5.5%，右側土石壩浸潤線下降了2.1 m。

(2)分析了非穩定滲流工況下，不論水位突升或突降，壩體內部的非穩定滲流主要在防滲結構系統內發生，而對壩體自身結構滲流穩定幾乎無顯著影響；右側岸坡內經防滲墻后浸潤線長期維持在125.5 m左右，防滲墻內滲流穩定，滲透壓力以285.8～332.3 kPa為主。

(3)獲得了穩定滲流工況下，壩體最大拉、壓應力為35.2 kPa、1957.5 kPa；X、Y、Z向最大位移為3.61 mm、6.2 mm、42.9 mm，土石壩最大沉降為壩高的0.02%；位移值與應力值均表明壩體處于安全穩定。

(4)研究了非穩定滲流工況下，右側土石壩體X、Y、Z向最大位移為0.7 mm、0.1 mm、15 mm，最大拉、壓應力為49.2 kPa、1959.5 kPa，非穩定滲流工況中土石壩在各方向上的位移值均低于或接近穩定滲流工況，壩體應力位移場擾動幾乎不受非穩定滲流影響。