基于三維有限元堆石壩滲流穩定性分析

房清清

（費縣水利工程保障中心，山東 臨沂 273400）

0 概述

堆石壩的穩定性是根據其邊坡穩定性、滲流穩定性或地震穩定性來綜合分析評估的。尤其是堆石壩的抗滲穩定性，是判斷其是否安全、是否發生大量滲漏、漏水中是否包含土壤顆粒的關鍵因素，通常在壩體下游安裝滲漏測量裝置進行監測。然而，在實際大壩運行管理時，由于受到降雨、地下水或周圍山區的影響，對大壩滲流的監測并不準確。目前國內外常采用數值模擬的方法對其進行研究分析[1-4]。鄒韜 等[5]以我國西南某水庫的土石壩為例,采用Geostudio 軟件中的SEEP/W 模塊和SLOPE/W模塊對土石壩進行滲流穩定分析；劉雷 等[6]利用COMSOL 軟件,結合現場檢測大壩壩體填筑料物理力學特性,模擬壩體背水坡填筑粘土進行拼寬放坡除險加固方案,探究正常蓄水位、設計洪水位及校核洪水位3 種不同工況下壩體滲透特性,得出拼寬放坡措施提高了壩體防滲性能，寸銀川 等[2]以德黨河水庫壩為研究對象，建立了三維有限元模型進行滲流分析；馬小甜[8]以鐵斯巴汗水庫為研究對象,通過計算分析水庫滲流及大壩穩定性情況。本文為評估大壩在各水位條件下的滲流量，先使用PLAXIS 3D 對大壩進行了建模分析，之后在相同條件下，使用SEEP/W 2D 和3D 分析對邊坡進行滲流分析，然后將2D 分析結果值與3D 分析結果值進行比較。最后將2D 和3D 分析結果值與大壩的實際測量值進行比較，最后對大壩防滲加固提出建議。研究結果可為相關工程提供參考。

1 數值模型與計算參數

本次研究的大壩為堆石壩，大壩高73 m，長51 m，總庫容5.95 億 m3，大壩的建設始于1984 年12 月，于1993 年12 月31 日完工。為了更好地進行有限元數值分析，本研究將壩體和壩底均納入建模范圍，壩體截面形狀由5 個不同的材料區域組成，包括心墻、濾層、砂礫石層、巖石層、河流沉積層，如圖1 所示。表1 給出了三維滲流分析計算區域的相應滲透系數。數值分析網格是采用精細劃分模式自動生成的，由29 173 個單元和42 656 個節點組成。圖2 給出了應用于數值分析的地層形狀和網格形狀。為研究不同蓄水位下壩體滲流量的變化情況，本研究采用了3個水位階段：①正常控制水位163 m；②中間水位150 m；③上游水位為低水位137 m，下游水位為壩體底高105 m, 然后使用VG 模型，通過水頭差進行滲流分析。除此之外，對于影響滲透量最快的心墻滲透系數，基于大壩安全診斷報告（2012年）的正常高水位, 通過應用設計值和質量試驗結果值（實驗室和現場）進行滲透分析, 并將每個分析結果值與2D 分析結果值進行比較。表2 給出了應用于心墻的滲透系數。本次數值分析的目標范圍是沿X 軸482.6 m、沿Y 軸730 m 和沿Z 軸172 m，并考慮到大壩周圍邊坡的高度，僅允許沿X 軸方向有水流。用于數值模擬的程序是由荷蘭公司Plaxis 開發的Plaxis 3D，這是專門用于巖土工程的有限元分析程序，能夠對大壩進行準確的三維滲流分析。

圖1 堆石壩尺寸

表1 不同區域滲透系數

圖2 數值分析的地層形狀和網格形狀

表2 心墻滲透系數

2 數值結果分析

大壩滲流量由各種環境因素決定，如水庫水位、降雨量、來自壩體周圍的邊坡流量等，本文模擬時先考慮了水庫水位的影響，圖3 給出了本次大壩模型的滲流場計算結果，其中蓄水水位分別為163 m、150 m 和137 m。由圖3 可知，對于距離壩踵0.87 m、1.04 m、1.28 m 和1.46 m 的孔，浸潤線的高度分別為0.27 m、0.24 m、0.193 m 和0.175 m，此外一些滲流場還存在于大壩模型的下游面，并在距壩踵1.41～1.48 m 的距離內流出。該浸潤線與下游邊坡相交，存在潛在的管涌破壞，將影響大壩的穩定性。模型總滲流為6.388 9×10-7m3/s（2.3 L/h），滲流量為1.277×10-6L/s/m。此外，為對比二維與三維數值分析的不同，通過水頭差對穩態進行分析。二維和三維分析均采用相同的巖心滲透系數。在2D 分析的情況下，本研究將其乘以沿壩軸線515 m 的長度，以獲得滲流量。然后給出了70%的滲流量，其結果反映了壩體的形狀。考慮到壩體底部地形的形狀，大多數二維數值分析結果僅反映了70%，高于考慮100%底部地形的三維分析結果，因此即使相同的分析模型，2D 和3D 相比，大多數二維數值分析結果值高于三維數值分析結果值。

圖3 數值計算結果

3 實測滲流量

為了驗證分析數值分析結果的正確性，將大壩上測量的數據和過去3 年（2011 年11 月至2014 年10 月）的實際降雨量用日期標記，然后獲得如圖4 所示的結果。圖4 表明，實際滲透量不僅受到壩體水位的嚴重影響，還受到降雨的嚴重影響。本研究分析了低水位下的滲漏量測量結果，但異常測量值表明設計滲漏量超過290 L/min。圖5 給出了過去3 年中不同水位下的滲漏量，通過最接近測量值的設計滲透系數獲得的2D 和3D 分析結果。可以看出，數值分析結果值與測量值之間存在巨大差異的原因是滲流量不僅受到水庫水位的影響，而且還受到降雨、地下水等的影響。將滲漏量數值分析結果值進行比較，11 月至2 月這4 個月屬于干旱期，發現滲漏量受水庫水位影響最大。因此，大多數測量值都包含在2D 數值分析結果中，降雨量也包含在所有第4 個月的數據中。此外根據水位對11 月至2 月4 個月期間的具體測量值數據進行分類，并與數值分析結果值進行比較。可以看出，3D 分析結果與測量值非常接近。僅使用低水位和降雨量作為變量很難評估大壩的實際滲漏量，也就是說，如果在數值分析的基礎上，至少在干旱期對應的季節內，實際測量值繼續高于3D 分析值的滲流量。

圖4 實際測量水位與降雨量

圖5 數值分析結果與實測比較

4 防滲加固措施

現今鞏固和加強防滲墻主要有以下幾種技術。高壓噴射注漿法能夠簡單、便捷地規劃整個操作工藝，同時還能夠保證漿液固結體的長時間使用與高強度。正因為以上優點，高壓噴射注漿法常在堤壩壩基的覆蓋層和一些接觸帶等地方被廣泛應用。不同的固體形態取決于不同的高壓噴射方式。通常而言，防滲墻主要應用于堆石體情況復雜的部位。雙管噴射、單管噴射以及三管噴射是當下常見的高壓噴射方式；垂直鋪塑防滲技術也具備簡單、便捷的特點，同時還能夠降低施工成本。因此，這種防滲墻處理技術在低水頭堤壩處廣泛應用。

另一方面反濾溝導滲技術、透水壓滲平臺技術、臨水截滲技術是水平防滲加固技術中應用最廣泛的3 種形式。第1 種技術主要應用于堤壩的背水坡大面積滲水，且無法在臨水側進行有效截流的情況。由于該種技術僅能維護坡面的穩定性，因此，在應用之前需對堤壩的情況進行綜合分析。透水壓滲平臺技術也要求事先分析，但其特點是防滲效果更好，同時也帶來了施工量大、施工難度大等困難。除此之外，臨水截滲技術能夠有效且持續性地控制堤壩滲漏流量，因此，常常被用于提升堤壩的防滲效果。

5 結論

本文為評估大壩在各水位條件下的滲流量，先使用PLAXIS 3D 對大壩進行了建模分析，之后在相同條件下，使用SEEP/W 2D 和3D 分析對邊坡進行滲流分析，然后將2D 分析結果值與3D 分析結果值進行比較。最后將2D 和3D 分析結果值與大壩的實際測量值進行比較，得出蓄水水位分別為163 m、150 m 和137 m 時，對于距離壩踵0.87 m、1.04 m、1.28 m 和1.46 m的孔，浸潤線的高度分別為0.27 m、0.24 m、0.193 m 和0.175 m，一些滲流場還存在于大壩模型的下游面，并在距壩踵1.41～1.48 m 的距離內流出。此外，通過與實測值對比發現，測量值和數值分析值之間存在很大差異，是因為滲流量不僅受水庫水位的影響，還受各種自然活動（如降雨、地下水等）的影響。