基于UDEC的壩基裂隙巖滲流數(shù)值模擬研究

李院生

(遼寧西北供水有限責(zé)任公司，遼寧 撫順 113007)

1 工程背景

錦凌水庫(kù)位于錦州市太和區(qū)后山河營(yíng)子村的小凌河干流上，屬于遼寧省“十三五”重點(diǎn)建設(shè)工程項(xiàng)目。該水庫(kù)主要承擔(dān)錦州市的防洪和供水任務(wù)，設(shè)計(jì)總庫(kù)容8.08×108m3[1]。錦凌水庫(kù)工程大壩為混合壩型設(shè)計(jì)，最大壩高91.5m，壩長(zhǎng)1148.0m，壩頂高程164.80m，主要由擋水壩段、溢流壩段、底孔壩段以及引水壩段構(gòu)成[2]。本次研究的左岸土壩為礫石土心墻堆石壩，上游設(shè)高度為1.20m的C20鋼筋混凝土防浪墻。下游設(shè)欄桿，壩頂面為向下游傾斜的單向坡，上下游壩面的坡度均設(shè)計(jì)為1∶1.8。礫石土心墻防滲體基礎(chǔ)澆筑混凝土蓋板，并與心墻相互配合共同構(gòu)成大壩壩基以上的防滲體。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查過程中，對(duì)左岸土壩段壩基巖石層進(jìn)行了地質(zhì)調(diào)查，顯示壩基部位存在明顯的節(jié)理裂隙發(fā)育，共采集到138條裂隙，其延伸方向與軸向成53°，巖體層理多為緊閉狀態(tài)，層間距多為10～40cm，軟弱夾層和層面產(chǎn)狀基本一致，間距多為2～5m，其物理性質(zhì)較為穩(wěn)定。受到上述地質(zhì)環(huán)境的影響，壩基巖體的穩(wěn)定性會(huì)有大幅降低[3]，需要對(duì)壩基內(nèi)部滲流進(jìn)行研究，進(jìn)而對(duì)壩基的安全性作出正確評(píng)價(jià)。

2 基于UDEC的計(jì)算模型構(gòu)建

2.1 UDEC簡(jiǎn)介

UDEC是一種主要用于不連續(xù)介質(zhì)數(shù)值模擬研究的通用離散元程序[4]。該程序的理論基礎(chǔ)是20世紀(jì)70年代提出基于拉格朗日算法離散單元法則，由于該法則可以對(duì)斷層、節(jié)理等不連續(xù)巖體介質(zhì)進(jìn)行很好的模擬，因此在大變形與大位移數(shù)值模擬計(jì)算方面具有顯著優(yōu)勢(shì)[5]。具體而言，UDEC在對(duì)不連續(xù)巖體介質(zhì)進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，將研究對(duì)象劃分為若干凸多邊體單元，這些計(jì)算單元之間的關(guān)系會(huì)隨著相對(duì)平移和轉(zhuǎn)動(dòng)的發(fā)生而不斷改變，直至最終達(dá)到平衡狀態(tài)[6]。基于此，本文利用UDEC進(jìn)行錦凌水庫(kù)左岸土壩段壩基裂隙巖的模擬，并通過滲流應(yīng)力耦合構(gòu)建滲流離散元模型。

2.2 計(jì)算模型的建立

由于大壩壩基巖體的結(jié)構(gòu)面空間分布特征極為復(fù)雜，因此很難對(duì)其滲流特征進(jìn)行三維分析[7]。同時(shí)，相關(guān)研究文獻(xiàn)顯示，壩基滲流方面的二維和三維分析結(jié)果差距并不明顯[8]。因此，本次研究采用二維模型進(jìn)行壩基巖體滲流分析。根據(jù)錦凌水庫(kù)的工程地質(zhì)資料，其左岸土壩段部位的第29#壩段正下方存在一條發(fā)育斷層，并對(duì)壩基巖體的滲流狀態(tài)產(chǎn)生嚴(yán)重影響[9]。因此，研究中選取UDEC軟件建立該段大壩和基巖的數(shù)值模擬模型[10]。結(jié)合該段大壩壩基的地質(zhì)特征和相關(guān)研究成果[11]，模擬范圍為大壩上游5倍壩高，下游和模型高度為3倍壩高，以盡量降低邊緣效應(yīng)對(duì)模擬結(jié)果的影響，建立的計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 19#壩段滲流模型示意圖(單位：m)

2.3 邊界條件與計(jì)算參數(shù)

由于本次研究設(shè)定的計(jì)算區(qū)域比重點(diǎn)研究區(qū)域大得多，因此模型邊界設(shè)置為不透水邊界條件，并以正常蓄水位條件下的上下游水位高度施加水壓力[12]。UDEC為模擬計(jì)算提供了多種本構(gòu)模型，基于本次研究的特點(diǎn)和需要，采用摩爾-庫(kù)倫模型進(jìn)行模擬[13]。在數(shù)值模型計(jì)算過程中，巖體與結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)參數(shù)是計(jì)算結(jié)果的重要影響因素[14]。參考工程建設(shè)前的地質(zhì)勘查資料、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地分析成果以及相關(guān)研究成果[15]，綜合確定巖體物理力學(xué)參數(shù)，見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 正常運(yùn)行工況計(jì)算結(jié)果與分析

在正常運(yùn)行工況下，利用上節(jié)構(gòu)建的模型對(duì)錦凌水庫(kù)左岸土石壩29#壩段滲流情況進(jìn)行模擬計(jì)算。為了驗(yàn)證放水帷幕的放水作用，計(jì)算按照有無防滲帷幕2種情況進(jìn)行。按照錦凌水庫(kù)的設(shè)計(jì)資料，水庫(kù)的上游水位設(shè)定為158m，下游水位設(shè)定為132m，垂直于基巖施加水壓荷載。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，獲得如圖2—3所示的滲流示意圖。由圖2—3可知，大壩壩基裂隙巖體的滲流作用主要發(fā)生在巖體的裂隙、軟弱夾層以及斷層等為代表的導(dǎo)水管道之中，滲流場(chǎng)基本能夠構(gòu)成完整的回路，這與工程實(shí)際相符合。從2幅圖的對(duì)比來看，有防滲帷幕情況下裂隙巖體的滲流作用得到明顯抑制，特別是壩底部位的滲流量明顯降低。由此可見，防滲帷幕的防水效果是十分明顯的。

圖2 無帷幕滲流示意圖

圖3 有帷幕滲流示意圖

為了進(jìn)一步對(duì)防滲帷幕的防水作用進(jìn)行定量分析和評(píng)價(jià)，在29#壩段設(shè)置了若干監(jiān)測(cè)點(diǎn)，由于壩基巖層中有斷層穿過，因此在斷層部位增設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的具體設(shè)置如圖4所示。由于UDEC軟件不能提供滲透壓力評(píng)價(jià)，因此監(jiān)測(cè)點(diǎn)的主要作用是提供揚(yáng)壓力以便對(duì)滲透壓力進(jìn)行間接評(píng)價(jià)。鑒于有無防滲帷幕的揚(yáng)壓力比較接近，因此監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置情況相同。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置位置示意圖

圖5—6分別是29#壩段各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的有無防滲帷幕條件下的流量和揚(yáng)壓力大小對(duì)比圖。由圖5可知，在沒有設(shè)置防滲帷幕情況下，8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，最小滲流量和最大滲流量分別為1.65×10-3和2.68×10-3m3/s；其出現(xiàn)的位置分別是監(jiān)測(cè)點(diǎn)H和監(jiān)測(cè)點(diǎn)G；在設(shè)置防滲帷幕的情況下，8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，最小滲流量和最大滲流量分別為1.12×10-3和2.11×10-3m3/s；其出現(xiàn)的位置分別是監(jiān)測(cè)點(diǎn)H和監(jiān)測(cè)點(diǎn)G；由此可見，設(shè)置防滲帷幕之后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的滲流量最小值和最大值均有明顯減小。從8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的滲流量均值來看，沒有設(shè)置防滲帷幕時(shí)的滲流量均值為2.25×10-3m3/s，設(shè)置防滲帷幕時(shí)的滲流量均值為1.71×10-3m3/s，相比沒有設(shè)置防滲帷幕情況減小了0.54×10-3m3/s，減小了24%。總之，設(shè)置防滲帷幕對(duì)減小壩基滲流量的作用十分顯著。

圖5 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)滲流量對(duì)比

圖6 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)揚(yáng)壓力對(duì)比

由圖6可知，設(shè)置防滲帷幕情況下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的揚(yáng)壓力明顯小于沒有設(shè)置防滲帷幕；由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)G位于防滲帷幕的左側(cè)，因此是否設(shè)置防滲帷幕對(duì)該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的影響不大。從8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的揚(yáng)壓力均值來看，沒有設(shè)置防滲帷幕情況下，揚(yáng)壓力的均值為0.54MPa，設(shè)置防滲帷幕時(shí)的數(shù)值為0.41MPa，相比沒有設(shè)置防滲帷幕情況減小了0.13MPa，減小了約24.1%。此外，在8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)H的揚(yáng)壓力最小。究其原因，主要是H監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于壩基基巖的斷層內(nèi)，由于斷層內(nèi)存在斷層泥，因此裂隙寬度相對(duì)較小，當(dāng)?shù)叵滤?jīng)過斷層內(nèi)的裂隙時(shí)滲流量會(huì)有所減小，并最終導(dǎo)致?lián)P壓力的減小。

3.2 地震工況計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)研究區(qū)的地震資料，研究中以0.135g的地震峰值加速度以及0.45s的特征周期對(duì)29#壩段進(jìn)行滲流模擬分析，上下游水位與正常運(yùn)行工況相同。29#壩段各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)地震工況下有無防滲帷幕的流量和揚(yáng)壓力計(jì)算結(jié)果見表2。

由表2中的結(jié)果可知，在地震工況下，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在沒有設(shè)置防滲帷幕時(shí)的滲流量明顯偏大。從8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的滲流量均值來看，沒有設(shè)置防滲帷幕時(shí)的滲流量均值為2.66×10-3m3/s，設(shè)置防滲帷幕時(shí)的滲流量均值為2.05×10-3m3/s，相比沒有設(shè)置防滲帷幕情況減小了22.9%。因此，設(shè)置防滲帷幕在地震工況下仍具有顯著的防滲效果；設(shè)置防滲帷幕情況下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的揚(yáng)壓力明顯小于沒有設(shè)置防滲帷幕；從8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的揚(yáng)壓力均值來看，沒有設(shè)置防滲帷幕情況下，揚(yáng)壓力的均值為0.67MPa，設(shè)置防滲帷幕時(shí)的數(shù)值為0.50MPa，相比沒有設(shè)置防滲帷幕情況減小了約25.4%。總之，在地震工況下，設(shè)置防滲帷幕對(duì)減小壩基滲流量和揚(yáng)壓力具有顯著作用。

表2 各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)地震工況下滲流量與揚(yáng)壓力計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

本次研究利用基于UDEC離散元程序的二維滲流模型，對(duì)29#壩段的壩基滲流進(jìn)行深入研究。結(jié)論顯示有防滲帷幕情況下裂隙巖體的滲流作用得到明顯抑制，滲流量和揚(yáng)壓力均有明顯減小，對(duì)提高大壩的安全系數(shù)具有重要作用。文章提出的研究方法和結(jié)論對(duì)類似工程具有重要的借鑒價(jià)值。巖體滲流是具有眾多影響因素的復(fù)雜課題，本次研究仍有需要完善之處。其中最主要的是本次研究默認(rèn)壩基滲流為符合達(dá)西定律的穩(wěn)定裂隙滲流，但是在實(shí)際工況中，非穩(wěn)定滲流也是存在的，需要在今后的研究中對(duì)壩基非穩(wěn)定滲流進(jìn)行模擬，以獲取更加貼合工程實(shí)際的方法和結(jié)論。