瀘西縣平海子水庫工程大壩滲流的數(shù)值模擬分析

楊連驊

（廣東省水利水電建設(shè)有限公司,廣東 廣州 510630）

瀘西縣平海子水庫工程大壩的壩型為均質(zhì)土壩,其具有地質(zhì)要求低、造價低等特點(diǎn)。我國現(xiàn)有土石壩工程較多,在其研究過程中,最重要的就是土壩的安全性[1],而影響土石壩安全的核心因素為滲流,其會對工程的安全與造價產(chǎn)生直接影響。大部分工程潰決的原因都是因?yàn)闈B流的控制設(shè)計方面存在缺陷[2]。瀘西縣平海子水庫的修建時間較早,受限于當(dāng)時經(jīng)濟(jì)、技術(shù)的發(fā)展,壩體土料不均勻、壩基清理不徹底、壩體碾壓質(zhì)量存在較大差異[3],走位對滲漏區(qū)域展開防滲處理,在長期運(yùn)行后己成為病險水庫,具有壩體嚴(yán)重滲漏、外壩坡面嚴(yán)重變形等問題[4]。而瀘西縣降雨的季節(jié)性特征顯著,當(dāng)暴雨降臨時,水庫水位暴漲,大壩兩側(cè)低洼出漫水,洪水逼近壩頂,壩身多處出現(xiàn)管涌,抵御災(zāi)害的能力較弱,所以需要對當(dāng)?shù)氐乃O(shè)施予以重新檢測和評價,在擴(kuò)建過程中完成除險加固[5]。通過對瀘西縣平海子水庫的擴(kuò)建,從根本上解決壩體病險問題,擴(kuò)大了水庫的防洪庫容,令瀘西縣的防洪抗險能力整體上提高了一個層次,從而保障了當(dāng)?shù)厝嗣竦陌踩玔6]。瀘西縣平海子水庫工程大壩的建設(shè),能夠在汛期時攔截豐裕的來水資源,將其儲存在水庫內(nèi),方便供枯期時用水,極大程度上緩解干旱的災(zāi)情,令灌溉區(qū)域土壤的資源優(yōu)勢得以充分發(fā)揮,具有積極的作物產(chǎn)量提升作用。針對土石壩工程的滲流控制設(shè)計施工,本文提出基于有限元分析軟件ANSYS 的水庫工程大壩滲流數(shù)值模擬,對瀘西縣平海子水庫工程大壩的穩(wěn)定滲流問題展開了有益的嘗試[7]。

1 工程概況

平海子水庫位于瀘西縣永寧鄉(xiāng)境內(nèi),水庫地處縣城南部23 km 處,壩址位于小江河中下游工農(nóng)隧洞出口下游,修建在一個溶蝕洼地谷盆中,除西之外的地形較高,建造有一壩頂長220 m 的均質(zhì)土壩,正常蓄水位與校核洪水位的標(biāo)高分別為1636.50 m、1637.89 m,總庫容為294.10 萬m3,有直通公路,交通便利。擴(kuò)建后的平海子水庫是一座中型水利工程,能夠同時完成農(nóng)業(yè)灌溉和防洪抗險,總庫容擴(kuò)大至1067.2 萬m3,壩高最大為29.5 m。水庫新設(shè)3 號壩,擬定的壩型為粘土斜墻風(fēng)化料壩,壩頂標(biāo)高55 m,正常蓄水位標(biāo)高1653.47 m。

2 大壩工程地質(zhì)

2.1 壩線、型比選

基于工程與水文的地質(zhì)條件、水工建筑物部署以及工程量給出上壩線建議,壩體包括1、2、3 號壩,然后對填筑、防滲的土料以及風(fēng)化料的指標(biāo)質(zhì)量與儲量的條件因素進(jìn)行綜合考量,選擇粘土斜墻風(fēng)化料壩為三座壩體的壩型。

2.2 老壩體工程地質(zhì)條件

受限于當(dāng)時的施工條件,老壩體筑壩時的壩體較薄、滲透性較大、力學(xué)強(qiáng)度較低,壩基、壩肩位置具有一定的滲漏情況,嚴(yán)重影響粘土斜墻截水槽,需要對部分展開挖除處理。

2.3 擬擴(kuò)建壩址工程地質(zhì)條件

以1 號壩為例,該壩為粘土斜墻風(fēng)化料壩,全長980 m,壩高最大值為29.5 m。

2.3.1 壩基滲漏及滲透穩(wěn)定

壩基與壩肩基巖具有溶隙、脈管滲漏情況,年漏失量估算結(jié)果為5290.24 萬m3,漏水量近似為擴(kuò)建水庫正常庫容的5 倍左右,滲漏情況十分嚴(yán)重,急需展開防滲處理,壩基整體區(qū)域內(nèi)的Qalp、Qeld土體與強(qiáng)風(fēng)化巖體允許水體坡降高于實(shí)際滲透比降,其滲漏不發(fā)生破壞。但Qalp、Qeld表層2.5 m 的松散土體存在出現(xiàn)流土破壞的風(fēng)險,需要對其整體進(jìn)行清除。

2.3.2 壩基強(qiáng)度和壓縮變形

壩基表層為Qeld1含礫高液限粘土層覆蓋,僅需清理上層壓縮性較高的土體,其余當(dāng)作壩基持力層,下伏T2gd2白云巖,其具有較高的強(qiáng)度以及地基允許承載力、抗剪強(qiáng)度,具有較強(qiáng)的抗變形力,符合上方壩體的所有承壓條件。

2.3.3 壩基抗滑穩(wěn)定

清除淺部結(jié)構(gòu)松散強(qiáng)度低的壩基表層Qeld土層段,以剩余具有一定抗剪強(qiáng)度的土體為上方壩體的持力層。基巖全風(fēng)化層零星分布在壩基位置,其具有厚度薄、不連續(xù)的特征,對壩基抗滑穩(wěn)定的影響較小。強(qiáng)風(fēng)化層節(jié)理裂隙發(fā)育,具有不利結(jié)構(gòu)面組合體,但是整體規(guī)模較小,對整體壩體抗滑穩(wěn)定無影響。強(qiáng)風(fēng)化以下巖體整體性好且抗剪強(qiáng)度高,無抗滑不穩(wěn)定問題。

2.3.4 壩基土地震液化

壩基清基后余下的地基土層為Qeld1含礫高液限粘土層和T2gd2白云巖全風(fēng)化層。按照《水利水電工程地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB 50487-2008）附錄P 土的液化判別,區(qū)間Qeld粘粒含量為55%~79%,全風(fēng)化層粘粒含量也約為23%,都高于規(guī)范規(guī)定值,區(qū)間全部土體都不會發(fā)生地震液化。

2.3.5 壩基開挖邊坡穩(wěn)定性

壩基截水槽與清基深度較淺,清基后基礎(chǔ)都是第四系松散土體,受水的作用影響存在滑動與蠕變的風(fēng)險,邊坡穩(wěn)定性差。

2.3.6 壩基開挖基坑涌水量預(yù)測

整體壩基地下水位掩埋較深,都在開挖的基坑之下,所以形成基坑后無涌水。

本研究選取瀘西縣平海子水庫工程大壩1 號壩為研究對象,根據(jù)該實(shí)例大壩水文地質(zhì)資料可得知,該壩的填土主要為砂巖,計算參數(shù)見表1。

表1 平海子水庫工程大壩計算參數(shù)

2.4 上游壩坡處理

因?yàn)樯嫌螇纹驴赡軙l(fā)生滑坡,不符合滲透穩(wěn)定條件,所以需要通過在上游壩坡鋪設(shè)土工膜實(shí)現(xiàn)防滲。依據(jù)土工膜規(guī)格及規(guī)范處理要求,選取滲透系數(shù)為1.2×10-11cm/s,厚度為6 m 的土工膜。其中,土工膜只具有防滲功能,不影響大壩強(qiáng)度,其主要原理是通過減少壩體內(nèi)部滲透水壓提升壩體安全性,后續(xù)研究工作中可忽略土工膜的作用。

3 瀘西縣平海子水庫工程大壩滲流的數(shù)值模擬分析

3.1大壩模型介紹

結(jié)合上述大壩資料利用有限元分析軟件ANSYS 構(gòu)建平海子水庫工程大壩的模型,并對其展開網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格劃分后的壩體模型見圖1。

圖1 壩體模型網(wǎng)格劃分圖

3.2 基于ANSYS 的大壩滲流計算原理

基于ANSYS 的滲流計算原理對瀘西縣平海子水庫工程大壩進(jìn)行滲流計算,結(jié)合理論、微分方等說明ANSYS 滲流場計算原理,證明ANSYS 計算的合理性。

3.2.1 滲流場基本理論

基于達(dá)西定律可v得,多孔介質(zhì)滲流符合公式（1）,表示為：

式中： 為平均流量；QS為滲流量；A 為斷面面積；KS為滲流系數(shù)；J 為坡降。

3.2.2 滲流場微分方程

針對不能壓縮各向異性非均質(zhì)穩(wěn)定滲流微分方程：

針對能壓縮各向異性非均質(zhì)穩(wěn)定滲流瞬態(tài)微分方程：

式中： 為測壓水頭；

sx、sy、sz分別表示 、、 方向的滲流系數(shù)；SS為儲存量。

3.2.3 初始條件與邊界條件

滲流場初始條件為：

第一類邊界條件：

第二類邊界條件：

式中：hsn為沿邊界垂直方向的滲透系數(shù)；qs（x，y，z，t）表示邊界已知流速；為滲流場為沿邊界垂直方向的梯度值。

數(shù)值模擬的基礎(chǔ)是理論分析,完善的滲流計算理論可以保證ANSYS 的滲流計算模擬結(jié)果的可靠性。

4 平海子水庫工程大壩滲流的ANSYS 求解及數(shù)值模擬結(jié)果分析

浸潤線沒有抵達(dá)下游壩坡,壩內(nèi)滲流從壩體下游滲入透水基層,沿大壩基層流走。

X/m 解析解/m ANSYS 解/m 47.5 19 19 57.5 17.01 16.98 67.5 14.73 14.65 77.5 12.34 12.31 87.5 8.54 8.46 97.5 0.99 0.93 107.5 0.11 0.07

通過表2 可以看出,ANSYS 計算所得浸潤線位置極為接近解析解,得出數(shù)值模擬結(jié)果較為可靠,所以通過ANSYS 模擬平海子水庫工程大壩滲流是有效的。

5 結(jié)論

本文以有限元分析軟件ANSYS 為基礎(chǔ),對平海子水庫工程大壩的滲流情況進(jìn)行數(shù)值模擬計算,通過實(shí)例分析得出結(jié)論為：（1）基于ANSYS 的平海子水庫工程大壩滲流數(shù)值模擬結(jié)果極為接近解析解,滲流分析結(jié)果較可靠。（2）計算了平海子水庫工程大壩的滲流量并模擬了穩(wěn)定運(yùn)行期的大壩浸潤線位置,通過比較分析結(jié)果與解析解驗(yàn)證ANSYS 的正確性。未來還可以在不斷學(xué)習(xí)最新技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步展開研究。