友誼水庫(kù)大壩模型滲流分析

摘 要：大壩滲流是水庫(kù)大壩常見(jiàn)病害之一，大壩滲流不僅造成水資源流失甚至影響大壩的穩(wěn)定性。文章利用ANSYS軟件對(duì)河北省友誼水庫(kù)大壩建立了有限元模型，進(jìn)行了滲流模擬計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較分析，為大壩的除險(xiǎn)加固提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：土石壩；ANSYS軟件；滲流計(jì)算

截至2003年底，全世界共建15m高度以上大壩41413座，其中土石壩33958座，占82.7%；目前，我國(guó)已建水庫(kù)8.6萬(wàn)余座，大中型水閘7.6萬(wàn)余座[1]，其中壩高15m以上的土石壩近2萬(wàn)座，占世界土石壩總數(shù)48.3%。這些水庫(kù)在不同程度上均存在一定的安全隱患，除了防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低以外，有些土壩的變形穩(wěn)定和滲流穩(wěn)定得不到保證，這是影響水利樞紐工程安全運(yùn)行的主要因素[2]。大壩蓄水后，在上下游水頭差的作用下，壩體和壩基會(huì)出現(xiàn)滲流現(xiàn)象，這將導(dǎo)致壩體出現(xiàn)各種不利因素導(dǎo)致其功能降低，或使大壩存在一定的安全隱患，從而影響大壩下游安全。

目前，滲流計(jì)算的方法有很多種，歸納起來(lái)主要有兩大類。即理論分析方法和試驗(yàn)分析法[3]。其中，理論分析法包括：解析法、數(shù)值法、圖解法；由于實(shí)際工程邊界條件復(fù)雜，且滲流介質(zhì)并非是單一介質(zhì)，利用近似求解法計(jì)算往往不能得到滿意結(jié)果，因此，目前大多采用有限單元法對(duì)大壩滲流進(jìn)行模擬計(jì)算。ANSYS是美國(guó)ANSYS軟件公司開(kāi)發(fā)的大型通用有限元計(jì)算軟件，具有強(qiáng)大的求解器和前、后處理功能。該軟件可以進(jìn)行熱、電、磁、聲、流體和結(jié)構(gòu)等有限元分析，并可以進(jìn)行多物理場(chǎng)偶合分析。由于滲流場(chǎng)和溫度場(chǎng)可以相互比擬，本文采用ANSYS的溫度場(chǎng)分析功能進(jìn)行滲流場(chǎng)計(jì)算，取得了較滿意的結(jié)果。

1 友誼水庫(kù)大壩滲流場(chǎng)分析

1.1 水庫(kù)基本情況

友誼水庫(kù)位于河北省尚義縣與內(nèi)蒙古自治區(qū)興和縣交界處，是永定河支流東洋河上游的主要水利樞紐工程，控制流域面積2250km2，總庫(kù)容1.16億m3，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧養(yǎng)殖的大（Ⅱ）型水利樞紐工程，工程等級(jí)為Ⅱ級(jí)，控制灌溉面積36萬(wàn)畝。水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000年一遇。水庫(kù)樞紐工程主要有攔河壩、溢洪道、輸水洞等，水庫(kù)攔河壩為均質(zhì)土壩，最大壩高40m，壩頂高程1200m，壩頂長(zhǎng)287m，壩頂寬7m，防浪墻高程1201.2m。上游坡由1：2.5、1：3、1：3.5三段組成，下游壩坡為1：2.5、1：3.5、1：3.5。下游壩坡高程1187m和1175m處增設(shè)兩級(jí)馬道，高程1187m馬道寬度為2m，在高程1175m處馬道寬5.0m。壩基為砂礫石，厚5～7m，未清基。壩前采用水平防滲，下游設(shè)排水反濾體，高6m。溢洪道堰型為駝峰堰，堰頂高程1190m，設(shè)五孔鋼閘門控制，單孔凈寬9m，下設(shè)差動(dòng)式挑流鼻坎消能，全長(zhǎng)208m，最大泄量2384 m3/s。輸水洞為壓力遂洞，進(jìn)口高程1173.00m，洞徑2.2m變1.8m，洞長(zhǎng)245m，出口高程1162.5m，最大泄量39m3/s[4]。

1.2 滲流場(chǎng)分析

本文采用了ANSYS軟件的生死單元功能，將處于浸潤(rùn)線上部的單元網(wǎng)格“殺死”，只“激活”浸潤(rùn)線下部的單元網(wǎng)格，然后設(shè)定相應(yīng)邊界條件進(jìn)行分析，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整單元，相應(yīng)修正邊界條件重新計(jì)算直到達(dá)到計(jì)算精度。

本計(jì)算根據(jù)掌握資料情況，分別選取了歷史最高水位、最低水位及設(shè)計(jì)水位、07年最高蓄水位來(lái)進(jìn)行滲流場(chǎng)分析。計(jì)算工況如表1所示：

2 結(jié)果分析

將ANSYS計(jì)算結(jié)果與觀測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)軟件模擬計(jì)算的滲透壓力值與實(shí)測(cè)值相差不大，壓力水頭曲線與測(cè)壓管水頭曲線吻合較好，這說(shuō)明利用ANSYS軟件計(jì)算得到的滲流場(chǎng)基本上反映了大壩滲流的實(shí)際情況。另一方面也說(shuō)明水庫(kù)觀測(cè)資料較為準(zhǔn)確，觀測(cè)儀器工作正常。

由水庫(kù)主壩的分析計(jì)算結(jié)果可以看出，1#、2#、3#測(cè)壓管利用軟件計(jì)算所得結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，誤差最大為0.71m，最小誤差僅為0.143m。計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值不能完全相同，這說(shuō)明在定義邊界條件時(shí)存在缺陷。如果將排水棱體地面設(shè)為逸出點(diǎn)，排水棱體內(nèi)部定義滲透系數(shù)，將可以有效的減小這類誤差。然而4#、5#的觀測(cè)數(shù)值與計(jì)算值相差較大，可能是是由于定義下游水位時(shí)排水管具體位置不準(zhǔn)確，定義排水棱體各個(gè)面為逸出點(diǎn)，導(dǎo)致5#測(cè)壓管的觀測(cè)數(shù)值與計(jì)算值相差較大，而且還影響到上游管4的計(jì)算數(shù)值，使其誤差較大。

研究表明ANSYS用溫度場(chǎng)模塊模擬滲流場(chǎng)是可行的。今后將利用ANSYS軟件來(lái)分析大壩的抗震性能，為大壩的維修加固提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]潘家錚，柯 .中國(guó)大壩50年[M].中國(guó)水利水電出版社，1998.

[2]酈能惠.土石壩安全監(jiān)測(cè)分析評(píng)價(jià)預(yù)報(bào)系統(tǒng).北京：中國(guó)水利水電出版社，2003.

[3]長(zhǎng)江流域規(guī)劃辦公室.第十一屆國(guó)際大壩會(huì)議譯文選集[C].水利電力出版社，1976：99-101.

[4]水利部河北水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.友誼水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)工作報(bào)告[M].2006.