基于GEO-STUDIO有限元理論的砌石重力壩滲流分析

□賈大周□杜躍亭□賈鵬生（南陽市水利建筑勘測設計院；河南靈捷水利勘測設計研究有限公司）

基于GEO-STUDIO有限元理論的砌石重力壩滲流分析

□賈大周1□杜躍亭2□賈鵬生1
（1南陽市水利建筑勘測設計院；2河南靈捷水利勘測設計研究有限公司）

砌石壩在我國有著悠久的歷史，采用卵石砌筑的都江堰分水堰成就了“天府之國”并一直使用至今；廣西靈渠也是使用大塊石灰巖和大卵石砌筑的溢流壩。砌石重力壩作為砌石壩中一種常見類型主要依靠自身的重量來保持壩體穩定和滿足強度要求。文章在有限元理論的基礎上，針對砌石重力壩的結構特點，以有限元程序G EO-STU D IO中SEEP/W模塊作為主要計算工具，對桐柏縣病險水庫水簾水庫溢流壩段進行仿真模擬分析，研究現狀和除險加固后壩體的滲流場和壩基揚壓力分布情況，檢核除險加固效果。

重力壩；除險加固；滲流分析

1　滲流計算原理

水體在介質內部的流動方程根據是否考慮時間效應，將計算分析劃分為穩態（Steady State）和瞬態（Transient）兩種情況：前者為理想狀態，不考慮時間和初始內部體積含水量變化的影響，流體的運動方程見式（1）。瞬態分析考慮了時間作用，用以分析水位及浸潤線等隨時間的變化過程，流體運動方程見公式（2）。

式中：H為總水頭；、kx、ky分別為介質x、y方向的滲透系數；q為邊界流量；θ為體積含水量；t為時間。

當計算時間足夠長時，瞬態分析結果接近穩態分析結果，因此可以近似認為穩態分析是瞬態分析的一個特例。

有SEEP/W模塊中，材料結構中引入非飽和土特性。反映非飽和材料特性的參數有：土體的滲透系數、基質吸力、土體體積含水量等。非飽和土體的滲透系數是土體體積含水量和基質吸力的函數，土體體積含水量的變化受到土體應力狀態和土性的影響。土體應力狀態主要由（σ-ua）和（ua-uW）控制，其中σ為土體總應力、ua為孔隙氣壓力，則土體體積含水量只與ua-uW有關，體積含水量與時間的關系可由式（3）表示：

式中：mw表示由負孔隙水壓力引起的體積變化系數，為土水特征曲線斜率。

2　工程概況

水簾水庫位于河南省桐柏縣水簾寺西小河上，工程等級為Ⅲ等，主要建筑物級別為3級。設計水位217.60 m（黃海高程系，下同），相應庫容151.50萬m3；校核水位218.30 m，相應庫容160萬m3；興利水位215.50 m，興利庫容120萬m3；設計防洪標準為50a一遇設計，500a一遇校核。大壩為漿砌石重力壩，壩頂全長132.00 m（含溢流段26.80 m），壩頂高程219.10 m，最大壩高34.10 m，壩頂寬3.50 m，上游邊坡為1：0.25，下游邊坡為1：0.80。壩體上游188.00 m高程處設一條縱向排水廊道，并在不同高程設橫向廊道，高程205.50 m處設一條縱向交通廊道，并與排水廊道連通。

依據《河南省桐柏縣水簾水庫大壩安全評價報告》（2014. 11），“壩基排水孔處揚壓力折減系數（0.51）大于設計折減系數（0.38），壩基未設置灌漿帷幕，壩踵建基面處滲透坡降較大，綜合評定大壩滲流安全性為“C”級。水庫大壩存在嚴重病險，根據《水庫大壩安全評價導則》（SL258-2000），水簾水庫大壩應屬“三類壩”，應盡快開展除險加固工作。”

3　計算模型及參數

3.1計算模型

根據圣維南原理，為了解除壩基邊界條件對壩體受力的影響，應盡量擴大有限元的計算范圍。本次模型選取溢流壩段為研究對象，壩基深度（y方向）取35 m，約為1倍的壩高；順河流向（x方向）在壩踵、壩趾上下游各取35 m；最后確定計算模型長（z）106.60 m、寬 （y）71.20 m、厚 （x）26.80 m，有限元模建模范圍：-43.77≤x≤62.86；-36.50≤y≤34.70

因現狀壩體滲漏嚴重，迎水側防滲面板損毀，漿砌石壩排水孔對壩體滲流場和揚壓力的影響很大，故在建模過程中將壩體、壩基排水孔單獨劃分單元區域。另外，除險加固前單層防滲面板，除險加固后考慮新舊雙層面板。

3.2計算參數

參考工程地質勘查報告中提出的壩體透水率為100Lu。根據透水率與滲透系數轉換關系，并結合現狀壩體滲流情況進行反演分析，采用參數詳見表1。

表1　壩體和壩基材料參數表

4　計算成果

4.1除險加固前滲流計算

對現狀大壩溢流壩段在正常水位、設計水位和校核水位工況下進行仿真計算，由于篇幅所限，僅列出正常水位下的計算成果，詳見表2；正常水位工況下基底壓力分布圖見圖1。

表2　除險加固前正常水位工況揚壓力折減系數計算表

圖1　正常水位工況下基底壓力分布圖

由圖1可以看出，壩體基底壓力自壩踵至壩趾遞減，在排水孔位置前有明顯折減，選取排水孔處的壓力和最大壓力進行比較，結果見表2。通過計算，除險加固前排水孔處的揚壓力折減系數為4.53×10-1，大于設計值0.38，與現狀廊道底板開裂、向上涌水的現象相吻合。除險加固前正常工況基底壓力回歸分析圖見圖2。

選取正常水位基底壓力數據，以排水孔處坐標為分界，將基底壓力數據分成前后兩部分，分別對前、后兩部分數據進行回歸分析，可得到兩部的回歸函數：

式中：P1、P2為前、后兩部分基底壓力；R1、R2為前后兩部分回歸函數的方差。

圖2　除險加固前正常工況基底壓力回歸分析圖

由圖2和式（4）、式（5）看出兩部分的回歸函數方差均＞0.90，近似呈線性分布，聯合兩式可求得交點處的坐標為（2.4，130.88），回歸分析后可以求得排水孔的揚壓力折減系數為0.41，大于設計值0.38。綜合各工況的計算結果和回歸分析的計算結果，現狀排水孔處揚壓力折減系數偏大，對壩體整體穩定不利，因此必須采取相關措施對壩體進行除險加固。

4.2原因分析與工程措施

對于造成現狀基底揚壓力折減系數過大的原因，結合現場查勘、大壩安全鑒定及地質勘探報告，分析如下：一是迎水側防滲面板損壞，已失去防滲擋水之功能；二是鉆孔取芯率低，壩體砌石空隙大，填筑不密實；三是壩基排水管堵塞嚴重，已失去作用。

針對上述原因，遵循“上堵、中截、后排”的原則，擬采取在大壩上游新建防滲面板，采用C25W6鋼筋混凝土結構，面板厚度為0.50～1.12 m，并與壩體基礎的混凝土墊層連成整體。在壩頂及交通廊道各布置一排壩體灌漿孔進行固結灌漿，灌漿孔間距3.00 m。在防滲面板下新打帷幕灌漿孔布置1排，深入壩基線以下5～10 m。同時，在溢流壩段堰頂向下新打排水孔，孔距3 m，并對非溢流壩段壩體排水孔采取防堵措施。待灌漿結束后沿現狀排水廊道上游側新打壩基排水孔1排，深入壩基線以下5 m。

4.3除險加固后壩體滲流計算

結合除險加固措施和除險加固后參數變化分析結果，仍采用上述方法進行除險加固后壩體滲流分析計算。經過除險加固后，基底排水孔處的壓力明顯降低，由原來的147.46 kPa減小到97.29 kPa，基底揚壓力折減系數由原來的4.53×10-1減小至0.31。具體見圖3。

對前、后兩部分數據進行回歸分析，可得到兩部分的回歸函數：

式中參數符號意義同前。

圖3　除險加固后正常工況基底壓力回歸分析圖

由圖3和式（6）、式（7）看出兩部分的回歸函數方差均＞0.90，近似呈線性分布，聯合兩式可求得交點處的坐標為（2.21，106.80），可以得到排水孔的揚壓力折減系數為0.33，滿足規范要求。可見，本次除險加固采取的加固措施能明顯降低揚壓力折減系數，方法合理、得當，效果明顯。

5　結論

以桐柏縣水簾水庫為研究對象，借助于有限元軟件GEO-STUDIO中的SEEP/W模塊對除險加固前后的溢流壩段進行正常水位工況下模擬分析，結果表明：基底揚壓力折減系數模擬值4.53×10-1和回歸分析值0.41均大于設計值0.38，與現狀壩體滲漏現象吻合。通過在迎水側新建防滲面板、對壩體進行固結灌漿、壩基進行帷幕灌漿和新建壩基壩體排水孔等措施對壩體進行除險加固，除險加固后壩體基底揚壓力折減系數模擬值0.31和回歸分析值0.33均滿足規范要求之范圍。說明除險加固措施得當、效果明顯，為下一步的除險加固工程開展提供了理論依據。

（責任編輯：劉長垠）

中國分類號：TV 67A

1673-8853（2016）07-0105-02

賈大周（1971－），男，工程師，南陽市水利建筑勘測設計院，主要從事規劃設計工作。

2016-04-21