基于AutoBANK的流固耦合場沙田水庫壩體滲流變形特征研究

劉 歡

(深圳市廣匯源環境水務有限公司惠州分公司，廣東 惠州 516000)

壩體作為水利工程中重要水工建筑，其安全可靠性與防滲結構、靜力結構及抗震體系密切相關[1-2]，研究壩體滲流-變形特征需要考慮具體工程荷載環境。壩體在蓄水水位漲幅期與運營期內，受流固耦合場與非滲流場影響[3-4]，其穩定性變化、發展有所差異，因而研究壩體滲流-變形在不同時間節點、不同滲透系數工程環境下影響變化，對推動壩體運營、設計具有重要意義。黃謝平等[5]、丁澤霖等[6]采用物理模型試驗方法，模擬了多場耦合下土壩滲流-變形過程受滲透系數、水位等試驗因素影響，從原型試驗研究入手，探討了壩體滲流-變形發展態勢，為工程建設、運營提供了依據。王正成等[7]、劉占濤[8]從壩體防滲結構入手，探討了大壩防滲結構體系流固耦合場下滲流特征與靜力特征。劉茵[9]、高四軍[10]探討了壩體靜、動力場影響變化，分析了壩體結構靜力特征與動力響應特性，為工程抗震設計、結構除險加固提供了參照。而針對流固耦合場中壩體滲透系數、時間效應等，呂輝等[11]、潘英杰等[12]利用Abaqus等數值計算方法建模分析了壩體的靜力穩定性，推動了多場耦合下水工結構靜力計算與滲流分析。本文基于沙田水庫多場耦合下滲流-變形問題，探討了蓄水期水位漲幅與運營期變形、應力特征，分析了壩體滲透系數影響下滲流-變形特性，為工程加固、防滲設計提供了參考。

1 工程概況

沙田水庫乃是惠州地區重要供水來源，該水庫庫床為塊形展布分布，最寬處約為2.74 km，建設防洪主壩控制流域集水面積超過26 km2，流徑河道全長為8.9 km，河床坡降呈緩慢過渡態勢，平均坡降為0.0175。沙田水庫從建設運營至今，工作年限超過60年，目前根據地區水資源分布現狀，該水庫承擔著灌溉、發電、防洪排澇等水利作用，為惠州地區重要綜合功能水庫。該水庫樞紐工程包括有防洪主壩、溢洪道、輸水干渠及發電廠房等，“十二五”期間對主壩進行二次除險加固時，升級防洪標準至百年一遇，正常蓄水位68 m，相應庫容1426.0萬m3，枯水季死庫容為37.6萬m3，各水利設施均采用Ⅲ等設計建設。根據EI Centro地震波及Taft地震波計算表明，水工結構加速度響應特征值滿足安全允許值。對沙田水庫各水利設施調查得知，水庫共有四座副壩，另各有1座主壩與溢洪道，溢洪道位于主壩與一號副壩之間，為小型水工結構形式，堰頂寬度為19.4 m，采用寬尾墩與挑能坎為聯合消功結構，下游坎高分布為0.3～0.7 m，寬尾墩位于消能池首，厚度為1.5 m。輸水干渠為沙田水庫對下游農業生產、居民生活用水調度的重要載體，其位于主壩右壩段，干渠總長為3.5 km，最大輸水流量為5.82 m3/s，下游建設有支渠與之調壓塔相連，確保水資源調度安全。水庫主壩壩頂高程為74 m，增設有防浪墻，高度為0.5 m，壩長為177 m，為均質土壩結構形式；四座副壩均為土石壩，堆筑料以粉質壤土為主，壓實度較優，壩坡上、下游分別采用混凝土護坡與金銀花植被生態護坡，四座副壩壩頂高程均為74.5 m，頂寬分布為5～7 m，壩頂軸長度為48～100 m，在各副壩壩腳均設置有棱體排水，減弱水體沖刷對壩身影響。在十四五時期，惠州市考慮針對沙田水庫主、副壩運營安全，對其運營期滲流場開展加固處理，故本文前期針對沙田水庫壩體流固耦合場下滲流變形特征開展分析，為沙田水庫壩體的防滲加固設計提供依據。

2 建模計算

為研究沙田水庫壩體流固耦合場下滲流-變形特征，本文采用AutoBANK開展建模計算[13]，由于該水庫主副壩結構類型相近，且均為土石壩結構類型，因而本文只以二號副壩2K3+125～2K3+425區段為分析對象，采用分步分層填筑形式建立該壩體模型。由于壩體模型需要考慮流固耦合場分布特征，因而在考慮土石壩巖土體特性的基礎上，微單元采用E-B模型，而土體滲透特性遵從室內實測的滲透系數時間變化曲線，如圖1所示。

圖1 滲透系數時間變化特征

基于AutoBANK數值網格劃分后，共獲得網格單元8622個，計算節點有7263個，壩底視為不透水層邊界條件，且其位移條件設定為全約束邊界，上、下游壩坡分別設定為滲流與出逸邊界，壩身輪廓均設定為滲流邊界末端。本文為研究壩體滲流特征，考慮除險加固期蓄水過程中壩體滲流-變形演變特征，且考慮副壩土石壩堆筑料滲透系數差異性下，其滲流-變形影響特征。因而，除險加固期設定有不同施工時間節點，按照施工進度分為水位上漲期與運營期，其中水位上漲期按照每10 m一個時間節點，共設定有7個節點，而運營期為蓄水完成后運營的第100 d、150 d、200 d、300 d、350 d、400 d、450 d、500 d共8個時間節點，即研究壩體加固運營過程14個時間序列下滲流-變形特征。壩體滲透系數影響特性分別設定有10.0×10-6cm/s、5.0×10-6cm/s、1.0×10-6cm/s、0.5×10-6cm/s、0.1×10-6cm/s共五個方案。

3 壩體滲流-變形的時序演化特征

3.1 變形特征

根據對不同蓄水期時間下流固耦合場內壩體滲流-變形分析，獲得壩體上、下游水平位移與壩體沉降位移特征，如圖2所示。從圖中可知，三者位移中最大為壩體沉降位移值，其在全過程中分布為0.38～0.70 m，而壩體上、下游水平位移值較前者分別具有差幅51.3%～87.8%、5.2%～58.3%。從位移時間序列上演化過程來看，沉降位移全過程均為遞減變化，即隨蓄水期及運營期，實質上壩體沉降為減小的過程，這樣反映了壩基為逐步壓實的過程。但壩體沉降的遞減過程可分為三階段，在施工加固蓄水期0～60 d，壩體沉降位移減小態勢較弱，40 d、60 d位移值較之蓄水期10 d下分別減少了0.9%、1.9%，隨施工期每10 d增長，壩體沉降位移平均降幅為0.3%；而在進入水庫運營期后，沉降位移呈迅速陡降態勢，在運營期100～400 d期間，其位移降幅達43.6%，每50 d運營平均可導致位移降幅達9.4%；而在進入運營穩定期后，沉降位移逐步趨于穩定狀態，在運營期400～500 d期間維持在0.38 m左右。

圖2 位移時序變化特征

壩體上、下游位移發展態勢有所相反的態勢，在施工加固蓄水漲幅期0～60 d，上游水平位移為遞減變化，其降幅與沉降位移相近，平均每10 d可引起上游水平位移減少0.8%，但在該階段內，下游水平位移呈穩定期，維持在0.33 m；進入運營期后，上、下游水平位移分別呈陡降、陡升態勢，每50 d運營期，分別可導致上、下游水平位移降幅28.7%與增幅9.1%；而進入運營穩定期后，上、下游位移均進入平靜狀態，分別穩定為0.05 m、0.60 m。綜上分析可知，流固耦合場下壩體上、下游水平位移發展態勢相反，而上游水平位移發展態勢與沉降位移有所類似，沉降位移在施工蓄水期與運營期全過程可分為“緩降-速降-平靜”三階段。

3.2 應力特征

基于流固耦合場中壩體穩定性計算，獲得壩體大、小主應力變化特征，如圖3。從圖中分析可知，大、小主應力分布變化特征有所類似，均為“穩定-緩增-速降-平靜”四階段。在蓄水初期0～20 d，水位漲幅相比較小，水位的變化對壩體結構主應力影響較小，因而大、小主應力均為穩定狀態，分別為1.58 MPa、0.90 MPa。隨著蓄水位的增長，一方面增加了非穩定滲流的活躍性，另一方面人工除險加固施工擾動作用，綜合影響壩體結構內部靜力場，特別是堆筑料在活躍非穩定滲流作用下，其主應力會有一定促進作用[14]，因而該階段內大、小主應力均緩增，在蓄水20～60 d期間內，大、小主應力的增幅分別為3.2%、11.5%，平均每10 d施工期，可引起兩主應力增幅0.8%、2.8%。當蓄水期水位達到目標值后，進入運營期，滲流活動趨平靜狀態，因而主應力值均迅速降低，在運營期60～350 d內，大、小主應力分別減少了38.6%、39.5%，每50 d運營期引起了兩主應力降幅8.3%、7.1%。在運營穩定期內，兩主應力均趨于平靜狀態，分別為0.95 MPa、0.60 MPa，壩體滲流活動處于平靜穩態期，加固后的防滲系統對滲流活動的干擾作用得到體現，壩體主應力處于安全狀態。綜合分析認為，壩體靜力場的穩定性與防滲體系的建立及發揮作用具有密切關聯性，有效的防滲結構體系有助于限制壩體結構張拉應力發展。

圖3 應力時序變化特征

4 壩體滲流-變形的滲透系數影響

4.1 位移特征

當改變壩體滲透系數后，壩體流固耦合場內位移特征有所差異，圖4為不同滲透系數下下游水平位移與沉降位移變化特征。

圖4 位移受壩體滲透系數影響變化

從圖中可知，當改變壩體滲透系數，壩體下游水平位移變化態勢無顯著差別，均為“緩增-陡增-平穩”三階段特征，表明壩體滲透系數對下游水平位移變化態勢影響較小。但當受滲透系數增大，壩體下游水平位移整體水平遞增，如蓄水期30 d時滲透系數0.1×10-6cm/s下其位移為0.246 m，而滲透系數方案為0.5×10-6cm/s、5.0×10-6cm/s下位移值較之分別增大了5.1%、12.8%，在各施工蓄水節點內水平位移的平均增幅為3.3%～4.0%，而在運營期各節點上水平位移增幅較大，隨滲透系數的梯次變化，平均增幅分布為7.6%～12.3%，表明水庫蓄水期壩體下游水平位移受滲透系數差異影響更為敏感。

在不同滲透系數下，壩體沉降位移變化特征基本一致，無顯著差異性，僅在其進入沉降穩定期的時間節點有所不同，如滲透系數0.1×10-6cm/s 方案下在運營期350 d時沉降穩定，而滲透系數0.5×10-6cm/s、5.0×10-6cm/s方案分別在400 d、500 d 達到穩定，表明滲透系數愈大，則運營穩定期壩體沉降位移趨平穩更為滯后。對比沉降位移量值可知，其與壩體滲透系數為負相關關系，在沉降陡降期200 d時滲透系數0.1×10-6cm/s下沉降位移為0.808 m，而滲透系數每梯次遞增方案下其沉降平均可減少10.6%，陡降期與穩定期沉降位移受滲透系數的影響幅度基本一致，各時間節點處穩定在8%～10%。分析認為，壩體滲透系不影響沉降與水平位移的發展態勢[15-16]，但對沉降、水平位移量值分別具有抑制、促進作用，且水平位移量值在蓄水期受影響敏感更顯著，而沉降位移量值進入穩定期的時間節點會滯后。

4.2 應力特征

為研究不同滲透系數下壩體主應力影響特征，本文計算獲得不同滲透系數下主應力變化，如圖5所示。從圖中可知，當滲透系數愈大，則壩體大主應力值愈高，而小主應力值愈低，如在蓄水期40 d下滲透系數0.1×10-6cm/s方案處大、小主應力分別為1.06 MPa、1.22 MPa，而滲透系數為1.0×10-6cm/s、10.0×10-6cm/s后，大主應力分別增大了7.1%、14.6%，小主應力分別降低了11.6%、27.9%。由此可知，土石壩滲透系數愈高，不利于壩體結構抗拉特性，對抑制壩體張拉破壞有所負面作用。

圖5 主應力受壩體滲透系數影響變化

從大、小主應力變化特征受影響來看，整體趨勢仍具有“穩定-緩增-速降-平靜”階段，但各階段變幅有所差異，如滲透系數增大至10.0×10-6cm/s后，施工初期穩定段逐漸與緩增段融合，其增幅也可達12.7%，而在滲透系數0.1×10-6cm/s方案下增幅僅為4.0%；同樣在滲透系數速降段，滲透系數愈大，則主應力降幅愈大，以小主應力為例，其在滲透系數0.1×10-6cm/s 、1.0×10-6cm/s、10.0×10-6cm/s三方案中該階段的降幅分別為16.8%、26.5%、42.5%。由此可知，滲透系數會影響蓄水、運營各階段主應力變幅，也會影響主應力量值。

5 結 論

(1)壩體沉降位移值最大，壩體上、下游水平位移值較前者分別具有差幅51.3%～87.8%、5.2%～58.3%；沉降位移的遞減過程可分為“蓄水期緩降-運營期速降-運營穩定期平靜”三階段，壩體上、下游水平位移發展態勢相反，且上游水平位移變化特征與沉降位移類似。

(2)大、小主應力全過程為“穩定-緩增-速降-平靜”特征：穩定段位于蓄水初期0～20 d，大、小主應力分別為1.58 MPa、0.90 MPa，蓄水20～60 d期間內，主應力均緩增，增幅分別為3.2%、11.5%，運營期60～350 d內，主應力發生速降，分別減少了38.6%、39.5%，運營穩定期兩主應力達到平靜期，分別為0.95 MPa、0.60 MPa。

(3)壩體滲透系數增大，流固耦合場水平位移變化態勢無影響，但下游整體水平位移遞增，尤以蓄水期水平位移受影響更顯著；滲透系數愈大，壩體沉降位移愈小，且進入穩定期更滯后。

(4)滲透系數愈大，壩體大、小主應力變化態勢基本仍具四階段特性，而其量值分別呈遞增、遞減變化，且各階段主應力變幅均會減小。