基于有限元軟件水庫土石壩滲流分析

李保民

（費縣應急保障服務中心，山東 臨沂 273400）

0 概述

土石壩水庫是水利工程中一種重要的水工建筑物，對防洪蓄水工程起著重要的作用。然而，土石壩在運營期間，由于施工和土體材料原因壩體會發生滲流現象，而過大的滲流會引發土石壩內部發生破壞，增加潰壩風險，因此，對土石壩運營期的滲流情況進行研究具有重要意義。吳云星 等[2]引入LM 算法優化標準BP 神經網絡的權值和閾值,提高BP 神經網絡對土石壩滲流壓力的預測效果；安元 等[3]采用有限元分析方法,結合某一工程實例建立有限元滲流場計算模型,對正常蓄水情況下滲流場進行數值模擬；賀玉珍[4]對沖抓回填的施工過程進行了介紹,通過ANSYS 對沖抓回填加固后大壩滲流情況進行模擬；鄒韜[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；虎珀等[6]基于有限元原理以及滲流場與溫度場在各種方面的相似性，將ANSYS 軟件中的熱分析模塊運用于土石壩滲流場的計算中;繆新穎 等[7]將主成分分析方法、遺傳算法和神經網絡協同應用于水庫大壩滲流預測；趙普 等[8]針對土石壩滲流壓力存在滯后于庫水位的特點，引入具有延時輸入特性的帶外源輸入的非線性自回歸神經網絡NARX 實現土石壩滲壓的有效預測。

本文以山東某土石壩為例，采用GeoStudio 軟件中SEEP/W 大壩進行滲流分析，探討了不同水位下，大壩的孔隙水壓力和滲流等特征，同時對大壩加固提出了建議，研究成果可為相關工程提供參考。

1 工程概況

本次研究的大壩位2004 年對水庫進行了除險加固，主要除險加固項目有：①大壩加固工程；②溢洪道加固工程;③輸水涵管加固工程等。大壩長1 034 m，放水洞為鋼筋砼矩形箱涵1.2 m×1.5 m，溢洪道新建3 孔泄洪閘，寬24.0 m。目前鋪設了防汛道路，新建大壩照明，雨情自動測報系統、放水洞閘門電動啟閉機和視頻監控系統，有效的提高了管理單位的現代化管理水平。電站裝機容量為34 MW,多年平均發電量12 560×124 kW·h，。90%保證出力4 300 kW,多年平均水頭6.63 m。根據GB 5021-2014《防洪標準》、加權平均水頭6.00 m，工程于2015 年通過下閘蓄水驗收，2019 年12 月通過竣工驗收。現場安全檢查經現場檢查,水庫各水工建筑物基本完整。本次現場檢查沒有發現土壩壩體、壩肩有明顯位移、沉陷情況，壩坡穩定。

下游壩坡未見明顯變形，無塌坑、沖溝、牛皮脹等不良現象，草皮能完全覆蓋，但夾雜雜草。大壩下游壩肩、壩腳設有排水溝，下游壩腳設有排水棱體，排水棱體完整且有效，但排水棱體及壩腳排水溝內側有砂漿勾縫，不利于排出壩體滲水。現場檢查溢洪道整體外觀良好，主體砼結構表面基本平整，無剝蝕、沖刷現象，未見沉降、傾斜等變形異常，但進口右側擋墻局部有裂縫；泄槽底板有三道較明顯的橫縫；左岸山體常年有股清水流出，滲漏量較大，初步分析是由于舊涵管封堵不嚴所致；出口沒有防護，有明顯的沖刷坑。總體上大壩穩定性需要進一步建模分析評價。

2 滲流控制方程

本研究采用geo-studio 軟件對大壩穩定性進行分析，主要使用SEEP/W 和SLOPE/W 模塊。此次滲流分析主要探索雨水條件下，地下水在邊坡中的流動方式。SEEP/W 滲流分析模塊中利用Richards 方程進行二維瞬態滲流分析，控制方程如下：

式中，kx和ky表示x 方向和y 方向的滲透系數；H為水頭或總水頭：q為施加的邊界流量；γw為水的單位重量；t為時間；mw為體積含水量曲線的斜率。

3 數值模型建立

本次研究的大壩是工程之一的一個土壩，長407 m，高8 m，上側坡度為3∶1，壩后坡度為2.5∶1，其端部向上傾斜，直到與黏土芯的端部相交，并且泥芯的側面被一層2.5 m 的過濾層包圍。壩頭底板有一層厚度為3 m 的黏土，頂部為一層厚度為2 m 的過濾層，與從泥漿正面傾斜的過濾層相連。泥漿背面的過濾層，其延伸至大壩后端末端，厚度為2 m，一層過濾層延伸2 m 厚，以保護大壩背面的溝渠。大壩的前表面覆蓋著厚度為1 m、長、寬尺寸為0.4 m 的石料（拋石），并在其下方設置一層30 cm厚的過濾層。背坡上覆蓋著一層厚0.5 m、長、寬尺寸不小于30 cm的石層，以保護其免受降雨和侵蝕因素的影響。圖1 為大壩橫截面。

圖1 大壩橫截面（比例尺1∶400）

圖2 為本次建立的數值模型，模型根據實際大壩模型建立，主要利用SEEP/W 軟件，分析不同條件下正常水位和最大水位非均質土壩的壩段的滲流量。所有邊界的單元數為2 275，節點數2 154，首先假設壩頂蓄水位是邊坡左邊界的臨界情況，恒定總水頭邊界或者空庫，下游側的水頭為（0 m）,然后進行穩態滲流分析。

圖2 數值模型

表1 數值計算參數

4 數值結果分析

4.1 正常水位滲流分析

圖3 給出了正常水位下的總水頭模型。正常水位標高20.6 m，虛線為穿過大壩的浸潤線，通過大壩、心墻和濾層末端。圖4 為正常水位下壩體孔隙水壓力分布圖。由圖可知，在穩態條件下，浸潤線穿過下游斜坡處的壩體，不與下游面相交，因此不會導致下游邊坡軟化或坍塌，從而導致后續破壞。此外，最大孔隙水壓力絕對值位于下游頂部。浸潤線的壓力值始終為零，浸潤線區域下方壓力的正值完全飽和，浸潤線上部區域為負壓，不飽和。圖5 給出了距壩基不同距離處的水力梯度值。由圖可知，水力梯度的最大值出現在反濾層處，數值大于1。

圖3 正常水位下的總水頭模型

圖4 壩體孔隙水壓力分布

圖5 壩體水位梯度

4.2 最大水位滲流分析

圖6 和圖7 分別給出了最大水位下的孔隙水壓力和水力梯度值。其中分析孔隙水壓力是由于壩體內部可能會出現較高的孔隙水壓力，這對大壩的穩定性和安全性將產生重要影響。而分析水力梯度的意義是滲透系數、潛蝕破壞等都與水力梯度有著十分密切的關聯。由圖可知，最大出口水力梯度i為0.3，因此大壩安全系數等于1/0.3，即3.33。因此，在穩定狀態下大壩不會發生滲流破壞。此外，大壩心墻在正常和最大水位的滲流速度分別為1.5×10-4m/d 和1.47×10-4m/d，同樣表明大壩不會發生滲透破壞。

圖6 最大水位下的孔隙水壓力

圖7 最大水位下的水力梯度

5 大壩加固建議

通過以上數值模擬分析結果可知，雖然邊坡趨于穩定，但滲流分析得出在正常水位下水力梯度偏大，因此有必要進行事先的加固措施。現階段水利工程針對壩體防滲和加固通常會采取以下幾種常用手段：高壓噴射注漿法作為一種簡便易操作的技術可以對涵蓋整個操作工藝環節進行整體性規劃，并且能夠確保漿液固結體可以持續性的維持高強度。基于上述兩個優勢使得在堤壩壩基的覆蓋層、接觸帶場景等應用領域經常可以看到高壓噴射注漿法的應用案例。另外，高壓噴射方式會對形成的固體形態產生直接影響，一般情況下的堆石體情況等復雜環境下常常采用防滲墻的結構。高壓噴射通常情況下是采用單管噴射的基本方式，但是，有的復雜應用場景下需要選擇雙管噴射、甚至是三管噴射的方式；垂直鋪塑防滲技術具有操作簡便以及施工成本低等優點而常用于低水頭堤壩處進行防滲作業。因此，本文根據大壩實際情況，建議采用垂直鋪塑防滲技術就能夠對大壩滲流破壞起到預防作用，在經濟和安全上達到平衡。

6 結論

本文以山東某土石壩為例，采用GeoStudio 軟件中SEEP/W 大壩進行滲流分析，探討了不同水位下，大壩的孔隙水壓力和滲流等特征，同時對大壩加固提出了建議。研究成果表明，大壩浸潤線的壓力值始終為零，浸潤線區域下方壓力的正值完全飽和，浸潤線上部區域為負壓，不飽和。此外，最大水位下大壩最大出口水力梯度i 為0.3，因此大壩安全系數等于1/0.3，即3.33。因此，在穩定狀態下大壩不會發生滲流破壞。此外，大壩心墻在正常和最大水位的滲流速度分別為1.5×10-4m/d 和1.47×10-4m/d，同樣表明大壩不會發生滲透破壞。最后，根據大壩實際情況，建議采用垂直鋪塑防滲技術能夠對大壩滲流破壞起到預防作用，在經濟和安全上達到平衡。