基于AutoBank 的黃材水庫大壩滲流穩定分析

馬 奪，張瑞剛

（1. 湖南中天水利水電勘察設計有限公司，湖南 長沙 410004；2. 水利部長江水利委員會河湖保護與建設運行安全中心，湖北 武漢 430010）

滲流計算是水工設計的重要組成部分，通過分析計算得到的滲流參數及滲透坡降，可以判斷水工結構的滲流穩定情況，并進一步采取防滲排水措施，有利于水工結構的安全與穩定。滲流理論較早于19 世紀中期，由法國學者Darcy 提出，其通過試驗揭示了飽和土體中水的滲流速度和坡降呈線性關系[1]。其后Zienkiewicz O C、Hnang T K.等學者運用了復變函數及有限元法，將滲流理論研究進一步推動[2～3]。

20 世紀以來，計算機為數值計算的發展提供了支撐，有限元法在滲流分析中得到了較好的應用。例如張寅寅以某水庫均質土壩為研究對象，采用有限元仿真法，進行了滲流及壩坡穩定性計算[4]；尹鵬博運用了ADINA 有限元軟件對某重力壩進行滲流分析，并對計算結果可靠性進行了分析[5]。馬洪圖基于ANSYS 有限元平臺，對不同工況下的土石壩穩定性及滲流特性進行分析，并驗證了計算方法的可行性[6]。然而，ADINA、ANSYS 等有限元軟件存在著建模復雜，通用商業軟件解決專業問題針對性不強的缺點。AutoBank 是河海大學工程力學系研制的用于分析堤防、土石壩、尾礦壩、水閘等擋水建筑物引起的穩定、非穩定飽和滲流場問題的專業軟件，采用有限元方法求解二維滲流控制方程（Laplace 方程），并能較好地解決各向同性、各向異性、多層地基和復雜斷面情況下的滲流場分析問題。

下面以黃材水庫為例，基于AutoBank 有限元軟件，建立大壩模型，將大壩計算斷面進行分區，并考慮不同工況，開展滲流穩定計算。將計算結果與現狀實際情況進行比較，為水利工程相關滲流設計提供參考。

1 工程概況

黃材水庫位于湘水一級支流溈水上游，竹山坳副壩壩址位于寧鄉縣黃材鎮以西的鐵山里，下距寧鄉縣城52.5 km。水庫控制流域面積240.8 km2，多年平均降雨量1 429.3 mm，多年平均徑流量1.83 億m3，水庫總庫容1.45 億m3；正常水位166.00 m，相應庫容1.26 億m3，庫容系數0.68，為多年調節水庫。

竹山坳副壩壩頂高程170.50 m，防浪墻頂高程171.07 m，壩頂軸線長142.50 m，最大壩高22.30 m。現場檢查，庫水位153.01 m。現狀上游坡面干砌石護坡石料質地堅硬，質量良好；下游壩坡未檢測到塌陷、滲漏情況；坡腳排水體石料風化，質量較差。排水溝無滲水，未發現壩基滲漏問題。

2 滲流分析

2.1 斷面選取

根據地質勘探工作、室內土工實驗、大壩建設和運行情況，壩體滲流計算分析選擇大壩最大橫斷面，做二維有限元滲流計算分析，滲流計算斷面見圖1。

圖1 大壩計算斷面滲透分區圖

2.2 滲透分區及指標的確定

本次計算分析斷面的滲透分區是根據地質勘測的結果，按照現場所取原狀土樣的室內土工實驗和鉆孔柱狀圖，綜合大壩建設和運行管理情況，并參照其他工程的經驗，將大壩滲流計算斷面分成9 個滲透分區，滲透分區見圖1，滲透分區材料的水平、垂直滲透系數見表1。

表1 大壩滲流計算斷面的滲透指標 cm/s

2.3 滲流計算工況的選擇

根據《碾壓式土石壩設計規范》SL 274-2001 第8.1.2 條規定[7]：滲流計算時應考慮水庫運行中的不利條件。庫水位降落時，考慮時段內無降雨，發電隧洞、灌溉隧洞等泄水建筑物按最大引用流量運行的庫水位快速降落情況。

本次滲流計算分析按以下工況進行：

1）上游正常蓄水位166.00 m 與下游相應的最低水位151.02 m。

2）上游設計洪水位167.97 m 與下游相應水位151.02 m。

3）上游校核洪水位168.50 m 與下游相應水位151.02 m。

4）庫水位降落（工況1）：根據庫水位-庫容曲線，只灌溉隧洞參加泄流，單一流量按17.5 m3/s 的下泄流量從166.0 m 降至上游壩腳151.0 m，根據水庫運行情況，確定大壩分三個時段進行穩定滲流計算。各時段的上、下游值及相應的時間間隔見表2。

5）庫水位降落（工況2）：在正常運行時期，壩體出現意外情況需快速放空水庫，首先溢洪道參加泄洪，泄洪閘全開，從166.0 m降至溢洪道堰頂高程157.0 m，而后發電隧洞、泄洪隧洞參加泄流。根據庫水位快速降落曲線，確定大壩分3 個時段進行非穩定滲流計算，各時段的上、下游水位值及相應的時間間隔見表3。

表2 水位降落（工況1）計算時段及水位成果表

表3 水位降落（工況2）計算時段及水位成果表

6）庫水位降落（工況3）：在非常運行時期，庫水位從校核水位168.50 m 降至正常水位166.0 m。

2.4 滲流計算及分析

運行AutoBank 求解滲流場。計算滲流量并繪制得到浸潤線，大壩滲流計算結果見表4 及圖2～圖7。

從各工況滲流計算成果表可以看出，計算斷面浸潤線較低，逸出點在下游褥墊排水處，計算斷面滲流流態較安全。現狀大壩下游坡運行情況較好，未發現散浸現象。說明計算與實際情況基本相符，壩體計算斷面處滲流無安全隱患。

計算斷面逸出點比降為0.002～0.267，心墻處比降為0.008～1.06，壩基接觸面比降為0.007～0.267。根據有關資料和類似工程，防滲土料的破壞坡降5～10,壩體逸出點允許比降值0.35～0.40，壩基接觸面允許比降值0.35～0.50，以上各值均在允許范圍內，可見現狀壩體基本滿足滲透穩定要求。

表4 大壩計算斷面各工況滲流計算成果表

圖2 大壩正常水位（166.0 m）穩定滲流計算成果

圖3 大壩設計洪水位（167.97 m）穩定滲流計算成果

圖4 大壩校核洪水位（168.50 m）穩定滲流計算成果

圖5 大壩庫水位降落工況1 水位（166.0 m～151.1 m）穩定滲流計算成果

圖6 大壩庫水位降落工況2 水位（166.0 m～151.1 m）穩定滲流計算成果

圖7 大壩庫水位降落工況3 水位（168.5 m～166.0 m）穩定滲流計算成果

從各工況滲流計算成果表可得，大壩日滲流量最大可達0.94 萬m3，年滲流量約343.1 萬m3，滲漏損失較大，建議盡快采取有效的防滲措施，確保大壩安全。

3 結 論

1）以黃材水庫為例，基于AutoBank 有限元軟件，建立大壩模型，根據地質勘測結果，綜合大壩建設和運行管理情況，將大壩計算斷面分成9 個滲透分區。考慮水庫運行中的不利條件，分3 種工況進行計算。

2）滲流分析表明計算斷面逸出點在下游褥墊排水處，浸潤線較低，計算斷面滲流流態較安全。計算結果與實際情況較符合；計算斷面逸出點比降為0.002～0.267，心墻處比降為0.008～1.06，壩基接觸面比降為0.007～0.267，比降值均在允許范圍內，現狀壩滿足滲透穩定要求。大壩最大日滲流量較大，建議盡快采取有效的防滲措施，確保大壩安全。

3）AutoBank 軟件可直接導入到AutoCAD，為計算土石壩工程滲流提供了便利，算例分析結果與實際情況較吻合，表明AutoBank 有限元軟件在合理建模條件下模擬土壩斷面及滲流計算的可靠性，計算結果可為土壩除險加固設計提供參考。