水利工程灌漿三維建模及穩定性分析

徐 建 忠

(浙江中水東方建設工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310005)

0 引 言

近年來，水利行業隨著BIM技術的大力普及，水利工程的可視化仿真發展突飛猛進，尤其是復雜地質模型的仿真建模得到了前所未有的提高。運用Inventor軟件建立水利工程的三維模型和建筑物的實體模型，再結合ABAQUS的實體布爾運算功能，可以有效規避inventor實體模型導入ABAQUS時幾何信息錯誤的產生。采用ABAQUS網格劃分和優化實體模型，可以創建三維滲流有限元網格模型，進而分析其穩定性，同時，還可以將此項研究成果作為三維仿真建模與數值計算分析(CAD/CAE)集成技術的參考[1]。本文選擇了某水庫工程作為研究對象，探究三維建模在水利工程灌漿穩定性分析中的應用。

某水庫工程位于浙江地區，工程等級為Ⅲ級，土石壩是其主要水工建筑物壩型，其最大壩高為83.5 m，建筑等級提高Ⅰ級至Ⅱ級。大壩采用黏土心墻防滲。心墻頂寬5 m，上下游坡比1︰0.25。在心墻底部設置1.5 m深的黏結槽。將0.5 m厚C15混凝土墊層分別設置在黏結槽底以及基礎接觸面，設置兩層反濾層心墻于下游。大壩上下游壩坡比分別為1︰1.9和1︰1.7。

1 壩基防滲設計

河床沖洪積層和岸坡殘積層應徹底清除；除兩個斷層的壩心墻縫槽嵌入基巖2.8～2.5 m外，其余部位的壩心墻縫槽一般嵌入基巖1.5 m。心墻使用固結灌漿為基礎，保持5 m的深度。保持8 m的固結灌漿深度在兩個斷層之間。大壩裝有三排帷幕。大壩心墻軸線是大壩主帷幕灌漿軸線所在。輔助帷幕位于主帷幕上游1.2 m處。主幕和副幕為懸掛式，主帷幕灌漿底界由0.8倍水頭控制。輔助帷幕布置在河床段和0.5倍水頭以下的右壩段。第三排帷幕設置在另一斷層處，位于主帷幕下游側，底界與主帷幕相同。大壩帷幕灌漿防滲標準為Q≤ 3 Lu，固結灌漿防滲標準為Q≤ 5 Lu。

2 穩定性分析理論

根據達西定律，將壩區滲流場視為非均質各向異性不可壓縮土的三維穩定滲流場。三維模型穩定性的滲流控制方程為[2]：

(1)

式中xj為坐標，i=1，2，3；ky為一個二階對稱滲透率張量；h為總水頭；Q為滲透池中的源項或匯項。

計算中使用的滲流計算邊界見圖1，邊界條件理論如下：

(2)

圖1 滲流計算邊界示意圖

其中，已知函數是h1和h2；滲流邊界平面外法線的余弦是ni，i = 1， 2， 3；可知水頭的第一類滲流邊界條是Γ1= BG和CD，第二類滲流邊界條件是Γ2= GA、AF、FE和 DC ，滲流池中真實和假想滲流區域之間的滲流自由面是Γ3= GE，滲流逸出面是Γ4= ED，因為事先并不了解滲流逃逸點E的具體位置，以及所有逃逸面具體的尺寸，所以，這屬于邊界非線性滲流問題，要經過迭代求解可知，邊界法向流是QN，流出為正。

3 三維有限元建模

依據本項目工程的地形地貌，了解主要結構面斷層的分布，結合建筑物設置和防滲措施，構建出涵蓋心墻壩結構(黏土心墻、反濾層和堆石區)、灌漿帷幕、灌漿蓋板、固結灌漿等在內的本項目工程的三維有限元模型，同時模擬了壩基的主要斷層和基巖，其中包括基巖、斷層、河床溶蝕帶等[3]。

首先，從項目的工程高線圖中找出等高線點數據，使用rhino軟件創建三維地形曲面，建立基礎實體，然后導入到Inventor 軟件中。Inventor可以創建壩基開挖面、溶蝕帶實體、滲透性邊界面、斷層實體、固結灌漿實體、大壩分區實體、帷幕灌漿實體。由于模型的復雜性，如果在inventor中通過布爾運算形成項目建筑實體，然后將其導入ABAQUS，則經常會發生幾何錯誤，以致于造成操作失敗。運用超強的ABAQUS布爾運算功能，導入由invnetor創建的各種實體和曲面，然后進行布爾運算，以此完成最后的工程建筑實體。ABAQUS 能夠準確識別實體并將它們以平滑網格劃分。

該項目工程的三維模型共有422 340個單元，74 123個節點，主要組成部分為四面體單元。其生成的三維有限元網格模型，主要分為大壩模型、斷層和河床溶蝕帶模型、固結灌漿、灌漿蓋板、四個斷層模型以及防滲帷幕模型[4-5]。

4 材料滲透性、邊界條件及計算工況

4.1 材料滲透特性參數

依據主要建筑材料室內試驗/地層、主要結構面綜合、鉆孔水壓試驗結果，該項目工程材料分為多個材料區，材料滲透特性參數見表1。

表1 材料滲透特性參數

4.2 邊界條件

將計算區域周圍的截止邊界和底邊界條件視為水頭界面；在地表邊界壩軸線上游方向，水頭邊界要低于水庫上游1 551.92 m的位置；已知水頭邊界條件位于壩軸線下游側，也低于下游水位的位置，可能的滲漏逸水面要高于下游水位的位置。

4.3 計算條件

計算工況(表2)綜合了河床段基巖局部帷幕損壞對庫區水流造成的影響，標明了此次工程三維穩定性有限元計算的分析工況。

表2 計算工況

5 計算結果及分析

5.1 帷幕完整條件下的工況

通過ABAQUS的非飽和滲流分析模塊進行滲流計算。從該項目滲流特征結合區域整體滲透場圖來看，具備明顯的三維滲流特征[6]：蓄水之后，庫水通過壩基滲透帶向下游滲漏，同時繞過左右壩肩經過兩岸滲透帶。因此可得出：(1)壩體防滲心墻以及壩基帷幕灌漿的效果非常明顯，大壩滲流場水頭勢等值線分布具備高密度，并在心墻內大量減小總水頭差；(2)從兩岸滲流場分布看，在兩岸延伸帷幕作用下，左右岸地下水位顯著降低，尤其是兩岸壩肩段。由于地質條件很差，沿河床和溶蝕帶上下游均有斷層穿過，對庫區滲流產生不利影響。經過處理，壩體浸潤線在心墻內迅速下降，水位等電位線在心墻、混凝土墊層、固結灌漿帶、帷幕內密集。由此可見，防滲體系的效果是明顯的。

壩體和壩基的滲流是該項目工程防滲設計中特別關注的內容之一。在正常蓄水位情況下，該項目工程大壩、壩基等部位的滲流情況見表3。在計算范圍內，庫區總滲流量為54.31 L/s，年滲流量約867.45 m3(按水庫滿庫6個月計算)，占水庫庫容的2.47%。壩段滲流量為39.03 L/s，其中心墻滲透性為4.38×10-6cm/s，壩體滲流量為0.87 L/s，僅占壩段總滲流量的2.36%，壩段壩基滲流量為37.12 L/s，左岸山體滲流量為5.02 L/s，右岸山體滲流量為10.19 L/s。

表3 大壩、壩基等部位的滲流情況

通過水力梯度值針對壩體、壩基的一些重要部位展開分析，以便于更深入評估壩體和壩基的穩定性、安全性。 經計算，心墻最大水力梯度值為2.317。有必要在心墻下游側設置反濾層，以防止黏土心墻出現裂縫時心墻土壤持續侵蝕和流失。混凝土蓋板、固結灌漿以及帷幕的水力梯度值均低于允許值，符合滲透穩定性要求。左壩肩斷層以及右壩肩斷層的最大水力梯度值分別為1.323、0.541，2.520，為河床段斷層的最大水力梯度值。所以，在斷層下游的裸露區域安裝適當的過濾層勢在必行。

5.2 局部帷幕破壞研究

表4體現了部分滲流條件下帷幕的破壞情況。從中可以看出，在A2、A3和A4工況條件下的總滲流量比A1工況條件(帷幕完好)分別增加了3.61 L/s、3.05 L/s和5.40 L/s，增加百分比分別為6.7%、5.6%和10.0%，說明斷層和溶蝕帶外帷幕灌漿的質量對樞紐區的滲流有很大影響。同時還可看出，在部分帷幕破壞的情況下，斷層和溶蝕帶的水力梯度值比帷幕完整條件下大，不利于滲流的穩定性。

表4 部分滲流條件下帷幕的破壞情況

6 結 語

BIM技術的推廣和發展，為實現建立模擬水利工程的有限元模型提供了無限可能，同時，也強化了數值模擬分析在工程建設以及安全評估時的重要影響。通過三維穩定性有限元計算分析得知，壩基是此次項目工程滲漏最主要集中位置，左右岸岸坡是次要位置。為了防止斷層中填料的滲透損失，有必要在三條斷層的暴露下游鋪設過濾材料。研究發現，假如斷層及河床溶蝕帶的帷幕受損，也會影響到總滲流，對促進斷層和溶蝕帶的穩定性和安全性有不利影響。所以，應該在帷幕施工時，對幕墻的施工質量進行嚴格管控。