老嵐水庫土石壩滲流數值模擬研究

岳慶河，郭清華，張大雷

(煙臺市城市水源工程運行維護心，山東 煙臺 264000)

老嵐水庫樞紐工程壩型為混凝土重力壩與黏土心墻土石壩結合的混合壩，使用ANSYS有限元分析軟件APDL語言編寫程序對軟件進行功能擴充，得到土石壩滲流場有限元分析程序，可以方便快捷地進行滲流數值模擬分析，研究老嵐水庫土石壩滲流特性，為滲流控制提供參考。

1 工程概況

老嵐水庫壩址位于煙臺市福山區外夾河中游，控制流域面積624km2，總庫容15792m3，興利水位44.8m，興利庫容8491萬m3，死水位34m，死庫容513萬m3，屬大(2)型水庫，樞紐工程于2020年10月開工，計劃2023年具備蓄水條件。工程建設任務以城市供水、防洪為主，兼顧灌溉和改善下游生態環境等綜合利用。壩址區屬丘陵河谷地貌，呈不對稱的寬U形河谷，兩岸壩肩地形起伏不大，邊坡巖體主要為花崗斑巖和二長花崗巖。壩型為混凝土重力壩與黏土心墻壩結合的混合壩，重力壩段布置于左岸及主河槽，黏土心墻壩段布置于右岸。黏土心墻砂殼壩壩頂高程50.5m，壩頂長439m，壩頂寬度8m，最大壩高27.5m，黏土心墻頂高程48.5m，頂寬3m，如圖1所示。

2 滲流程序開發

2.1 開發基礎

ANSYS提供了APDL參數化設計語言，允許用戶開發專用有限元分析程序，擴展了ANSYS使用范圍，二次開發滲流分析程序可充分利用ANSYS可視化的前后處理能力，方便了建模、模型檢察、結果查看及對結果的計算分析，避免了重復編制有限元程序的繁鎖[1]。通過對比分析，滲流場與溫度場的熱傳導都遵循質量(或能量)守恒定律，滲流微分方程與熱傳導微分方程形式完全相同，參數及邊界條件相互對應，為應用ANSYS熱傳導模塊二次開發滲流場分析程序奠定了基礎[2- 5]。

不考慮土骨架變形及水壓縮性時，飽和—非飽和滲流微分控制方程為：

(1)

以溫度T為控制變量的熱傳導微分方程為：

(2)

式中，λx、λy—x、y方向的熱傳導系數，W/(m·℃)；c′—比熱系數，J/(kg·℃)；ρ—介質密度，kg/m3。

圖1 樁號0+325處土石壩剖面圖

2.2 程序結構

滲流計算時非飽和土滲透系數、浸潤線位置、逸出面邊界條件等需在計算過程中迭代確定[6- 7]。程序設計為兩層迭代結構，內層迭代確定非飽和土滲透系數，計算時保持邊界條件不變，滲透系數根據單元孔隙水壓力不斷調整，直到前后2次計算各單元孔壓變化差小于某一定值時計算收斂；外層迭代確定滲流逸出點位置，調整逸出面邊界條件范圍，滲流向外流通時計算收斂。完成計算后，利用ANSYS后處理模塊可以直觀的查看浸潤線位置、滲透比降、逸出點位置等信息，通過對下游坡節點熱流通量求和得到單寬滲漏量值。二次開發的滲流程序框圖如圖2所示。

圖2 滲流計算迭代程序框圖

3 滲流計算

3.1 網格劃分及滲透系數確定

在ANSYS中采用PLANE55單元，壩體部位取0.2m、壩基取0.5m進行網格劃分，共劃分119433個單元，239940個節點，壩體筑壩材料和壩基飽和滲透系數見表1。

表1 各土層飽和滲透系數

非飽和土相對滲透系數采用Van Genuchten-Mualem公式確定[8]。

(3)

3.2 不同上下游水位工況計算

計算3種設計工況，分別為：①上游興利水位44.8m、下游相應最低水位32.4m；②上游設計洪水位46.27m、下游相應水位34.82m；③上游校核洪水位48.35m、下游相應水位36.88m。為了對比分析，增加2種假設工況，分別為：④上游校核洪水位48.35m，下游水位34.82；⑤上游校核洪水位48.35m，下游水位32.4。列出了部分計算圖形如圖3—6所示，求得關鍵部位滲流要素見表2。

圖3 工況③總水頭等值線圖

圖4 工況③孔隙水壓力等值線圖

圖5 工況③下游坡滲透比降圖

圖6 工況③壩基中粗砂層滲透比降圖

表2 不同水位組合下關鍵部位滲流要素表

3.3 假設不利工況計算

滲漏問題是導致土石壩潰壩事件的重要原因，假設土石壩可能引發滲漏問題的不利工況，研究其對滲流場變化影響[9- 10]。在工況②的基礎上，分別假設防滲帷幕防滲效果差(調整帷幕滲透系數為1×10-7m/s)得到工況⑥、心墻及截水槽防滲效果差(調整心墻滲透系數為2.9×10-7m/s)得到工況⑦、反濾排水體失效(調整反濾排水體滲透系數為3.5×10-5m/s)得到工況⑧。列出了部分計算圖形如圖7—8所示，求得關鍵部位滲流水力要素見表3。

圖7 工況⑥總水頭等值線圖

表3 假設不利工況下關鍵部位滲流水力要素表

圖8 工況⑦總水頭等值線圖

4 成果分析

(1)各種工況下游壩坡浸潤線均與下游水位平齊，黏土心墻降低浸潤線高度效果顯著，出逸點位置均在下游水位線處，無自由出逸面；根據地質勘查成果，壩殼砂礫料允許滲透比降0.45、壩基粗砂層允許滲透比降0.22，出逸點及壩基砂滲透比降均未超過允許值。

(2)滲透比降大值集中在心墻及防滲帷幕中，壩殼砂料及壩基其它區域滲透比降較小；下游壩坡滲透比降最大點發生在出逸點位置，壩基砂層滲透比降最大點發生在壩坡與壩基接觸點處。

(3)下游反濾排水體失效對總水頭分布影響不大，但壩基砂層滲透比降增大，說明此時部分滲流繞經壩基排出，下游壩殼及壩基材料良好的排水性有效防止了浸潤線抬升。

(4)隨著上下游水位差增大，滲漏量也逐步增大；截滲墻失效后，總水頭線向兩側擴散，導致兩側地基中滲透比降增大；黏土心墻及截滲墻失效后單寬滲漏量增加明顯，說明兩個部位是控制滲漏的關鍵部位，施工過程中重點加強質量控制，建成運行后進行重點監測。

(5)心墻土石壩斷面設計合理，正常工況滲流水力要素計算結果符合要求，部分壩體區域失效對壩體整體的滲透安全影響不大，說明設計斷面適應性好，安全保障程度高。

5 結語

基于ANSYS熱分析模塊二次開發得到的滲流程序，能夠很好實現土石壩滲流場數值模擬，可廣泛應用于土石壩斷面設計、優化及相關研究；對老嵐水庫土石壩滲流特性的研究成果，為工程建設期質量控制及建成后滲流安全監測提供指導。但由于地質條件的復雜性，所建立土石壩滲流模型及相關參數特別是非飽和土相對滲透系數確定是否合理，應在工程建成后與實際滲流觀測資料對比、分析，根據實測資料完善模型、優化參數，還可進一步研究建立三維模型對老嵐水庫土石壩滲流特性做更進一步研究。