瀝青混凝土心墻石渣壩滲流穩定分析

陳洪軍

瀝青混凝土心墻石渣壩滲流穩定分析

陳洪軍

（山東省臨沂市河東區相公街道水利站，山東 臨沂 276000）

滲流是產生大壩破壞的主要原因之一，滲流問題對大壩庫區人民的生命、財產帶來了極大的安全隱患。文章在理論分析的基礎上，利用AutoBank有限元技術，對大壩滲流穩定性進行計算分析，運用該軟件的全自動網絡劃分功能，通過迭代法計算得到自由水面的位置，并且計算出各種工況下的安全系數，計算結果對大壩滲流穩定性評價具有一定的參考性。

滲流；AutoBank；安全系數；穩定性

為了滿足國家經濟建設需要，促進工業、農業的發展，解決水資源分布不均等問題，我國亟需建設大批的水利水電工程。土石壩作為一種擋水建筑物，由于具有取材方便，設計簡單，施工方便，施工造價低，對地基要求低，選址方便等諸多優點，受到了當時社會的青睞，被大量的建設并投入使用。然而，由于當時施工和管理技術水平有限，目前的大壩質量上存在各種缺陷，繼而也引發了各種大壩失事事故。據資料顯示，滲流是導致國內外大壩的破壞主要因素之一。因此，深入探究大壩的滲流穩定性問題對大壩的安全具有重大意義。呂遠坤基于勢流理論中的柯西-黎曼方程，建立了大壩流固耦合模型，利用多種方法計算水庫大壩滲流穩定性安全系數，對其進行滲流穩定性分析，并提出了套孔沖抓回填式防滲墻、深層攪拌防滲墻等加固方案的原理及使用條件［1］；何永紅等在分析砂卵石的滲透變形的形成條件基礎上，對滲流變形的形式進行了簡要評價，并提出了滲流變形臨界坡降的計算方法［2］。葛建闡述了堤防、水工建筑物滲透變形的類型、成因、規律，對滲透穩定性問題進行了分析研究［3］。侯俊平等利用有限元軟件對大壩滲流穩定性進行了分析，同時通過對大壩安全監測資料分析，對比二者計算成果，證明有限元計算滲流穩定性是可行的［4］。張我華根據機理模型從影響堤防和土石壩管涌發生的諸多復雜因素中選出對管涌發生影響顯著的幾種影響因數作為系統輸入來求解滲流穩定性問題［5］。顧沖時等考慮大壩滲流具有滯后效應，提出用有效上游水深進行大壩滲流計算，經原來為模擬滯后效應的非穩定滲流計算問題轉化為穩定滲流的求解問題，簡化了計算，能夠較好的反映大壩基流變化規律［6］。朱偉結合某工程問題，應用有限元飽和-非飽和滲流解析，對地基滲透破壞發生機制及其影響因素做了分析和討論［7］。李鐸等應用三維地下水滲流數值模擬計算壩基滲漏量和分析滲流穩定，較好的解決了周邊與地面邊界的不規則問題和垂向上地層的非均質問題，提高了計算精度［8］。

鑒于有限元軟件的高效性、可靠性，本文采用專門針對滲流問題而開發的AutoBank軟件進行滲流穩定性分析。該軟件可對土壩、堤防、涵洞、大壩等水工建筑物滲流穩定進行詳細分析，可以很好的滿足設計對二維滲流場有限元計算的需要，極大的提高了設計人員的工作效率。

1 滲流計算

1.1 理論模型

在土力學中，假定水和土不可壓縮，土的體積變化是孔隙被壓縮導致。水在土體中的運動符合層流運動規律，即滿足達西運動規律，由于土體結構、密度等不同，同時土體是一種非均質的各向異性的介質，導致水平滲透系數和豎向滲透系數不相等，從而使水體在土中運動表現出水平和豎直方向相區別的二向運動，其基本方程［9-10］為：

式中，h0—邊界水頭；n—邊界外法線方向；z—浸潤線上各點的幾何縱坐標值。

1.2 工程概況

某水庫總庫容153.5萬 m3，正常庫容124.67萬m3，死庫容 9.34萬 m3， 調節庫容115.33萬m3，庫容系數0.677，為多年調節水庫；工程擋水建筑物主壩采用瀝青混凝土心墻石渣壩，壩頂高程347.80m，防浪墻頂高程349.00m，壩頂寬8m，最大壩高34.50m，壩頂長度170.71m；副壩采用土工膜防滲土石壩，壩頂高程348.00m，壩頂寬8m，最大壩高4.05m，壩頂長度51.68m。

1.3 計算資料

根據地質勘查資料顯示，該主壩的地基巖性至上而下依次為砂巖、泥巖各層的滲透系數不同，所以在計算時選取最大剖面作為滲流計算的典型剖面，在同一層面計算中近似認為滲透系數水平和豎向方向相等。由于土層的分布情況基本為成層分布，計算時對結構做適當的簡化，按照成層建模，定義材料屬性時假設各層土體水平向同性，各個參數根據具體情況做相應的調整。

表1 主壩滲流計算滲透系數參數

1.4 計算工況

計算工況有六種：（1）上游正常蓄水位與下游相應的最低水位；（2）上游設計洪水位與下游相應的水位；（3）上游校核洪水位與下游相應的水位；（4）庫水位從正常蓄水位降落至死水位時上游壩坡穩定最不利情況；（5）庫水位從設計洪水位降落至死水位時上游壩坡穩定最不利情況；（6）庫水位從校核洪水位降落至死水位時上游壩坡穩定最不利情況。

1.5 計算結果

滲流計算成果圖詳見圖1～圖6。

圖1 正常水位穩定滲流計算成果圖

圖2 設計水位穩定滲流計算成果圖

圖3 校核水位穩定滲流計算成果圖

圖4 正常水位降落至死水位滲流計算成果圖

圖5 設計水位降落至死水位滲流計算成果圖

圖6 校核水位降落至死水位滲流計算成果圖

表2 主壩滲流計算成果表

計算結果表明：（1）主壩壩體及壩基滲流量非常小，蓄水效果較好；（2）壩體內最大水力坡降最大值為49.4，位于瀝青混凝土心墻內部，而瀝青混凝土心墻抗滲透變形能力強，不會發生滲透破壞；（3）其余分區水力坡降較小，且不同材料接觸面均設有反濾層，不會發生滲透破壞；（4）壩基殘坡積土最大滲透坡降在各工況下均大于殘坡積土允許滲透坡降，不滿足規范要求，存在發生壩基滲透變形失穩的不利條件；（5）浸潤線溢出點位于壩腳，溢出點合理。

2 壩坡穩定計算

2.1 計算方法及說明

計算程序采用黃河勘測規劃設計有限公司和河海大學工程力學研究所共同開發編制的土石壩邊坡穩定分析系統。在計算中用該程序的摩根斯頓法分別采用壩料線性指標與非線性指標，對壩體上、下游坡進行分析。非線性指標根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001）中8.3.3，考慮粗粒料抗剪強度指標隨小主應力增大而減小的對數公式，其表達式為：

式中，φ—土體滑動面的摩擦角；φ0—一個大氣壓下的摩擦角；Δφ—σ3增加一個對數周期下φ的減小數值；σ3—滑動面上的小主應力；Pa—大氣壓力。

2.2 計算基本資料

主壩壩體土石料物理力學指標，其指標見表3。

2.3 計算工況

根據《碾壓式土石壩設計規范》（SL274-2001），并結合本工程的實際情況，計算工況主要考慮三種，第一施工期的上、下游壩坡；第二穩定滲流期的上、下游壩坡；第三水庫水位降落期的上游壩坡。

表3 主壩壩體填筑區物理力學參數表

2.4 計算成果

穩定性計算成果圖詳見圖7～圖12。

圖7 正常水位（上、下游）穩定計算圖

圖8 設計水位（上、下游）穩定計算圖

圖9 常水位降至死水位穩定計算圖

圖10 設計水位降至死水位穩定計算

圖11 校核水位（上、下游）穩定計算圖

圖12 施工期水位（上、下游）穩定計算圖

經計算，壩坡穩定計算成果見表4。

表4 壩坡穩定計算成果表

由此可知，在正常運用工況的正常蓄水情況、正常至死水位降落期以及設計至死水位降落期最小抗滑安全系數均小于規范規定的最小抗滑穩定安全系數，壩坡穩定不滿足要求；在非正常運用工況的施工期、校核洪水情以及校核至死水位降落期最小抗滑安全系數同樣不滿足要求。綜上所述，壩坡穩定不滿足要求，需要對大壩進行整治，提高大壩的安全系數，保證大壩安全、高效地運行。

3 結語

本文通過AutoBank軟件較好地模擬了大壩的斷面，對大壩滲流穩定性進行了計算，得到了可靠地計算結果，有利于指導維修加固工程以及大壩的安全評估。該軟件操作簡單、可視化強，為水利水電工程技術人員計算滲流穩定問題提供了極大的便利。本文得到的主要結果如下。一是各種計算工況下，浸潤線溢出點均位于坡腳，溢出點合理；二是壩基殘坡積土最大滲透坡降在各工況下均大于殘坡積土允許滲透坡降，不滿足規范要求，存在發生壩基滲透變形失穩的不利條件，需要對大壩進行除險加固處理，提高壩體防滲能力；三是部分工況下的最小抗滑穩定安全系數小于規范規定的最小抗滑穩定安全系數，壩坡穩定不滿足要求，需進行壩體整治，提高大壩的穩定性。

［1］呂遠坤.水庫大壩滲流穩定分析及加固設計［J］.水利規劃與設計，2015（12）：99-100.

［2］何永紅，王建明，李粉靈.粗粒土滲透變形機制淺析［J］.西北水電，2002（02）：44-46.

［3］葛建.堤壩滲透變形及穩定性分析［J］.水科學與工程技術，2005（06）： 48-50.

［4］侯俊平，郭煒.有限元計算方法在大壩滲流分析中的應用［J］.武漢大學學報工學版，2005，38（05）：63-66.

［5］張我華，余功栓，蔡袁強.堤與壩管涌發生的機理及人工智能預測與評定［J］.浙江大學學報工學版，2004，38（07）：902-908.

［6］顧沖時，胡靈芝，張乾飛.大壩滲流基流的分析模型研究［J］.巖土力學，2005，26（07）：1033-1037.

［7］朱偉，山村和也.堤防地基滲透破壞機制及其治理［J］.水利水運工程學報，1999（04）：338-347.

［8］李鐸，白云，魏愛華.基于三維滲流模擬的壩基滲漏和滲透穩定分析—以哇沿水庫為例［J］.水文，2016，36（05）：46-49.

［9］楊學倩，寇生岳，張寶慧.AutoBank在土石壩滲流穩定計算中的應用［J］.內蒙古科技與經濟，2015（17）：70-71.

［10］杜易杰，張丹汝，李龍.基于AutoBank軟件對堤防滲流穩定的計算應用［J］.水利科技與經濟，2014（12）：155-157.

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1008-1305（2017）05-0075-05

10.3969/j.issn.1008-1305.2017.05.025

2017-05-23

陳洪軍（1969年—），男，工程師。