某土石壩滲流穩定有限元分析研究

楊 敏

(江西省水利規劃設計研究院有限公司，江西 南昌 330029)

0 引言

我國是世界上水庫數目最多的國家，擁有各類大壩十余萬座，這些水庫為抗擊洪水災害和新中國的經濟建設提供了重要保障[1]。但大部分水庫大壩建于20世紀60～70年代，限于當時的技術條件，經過幾十年的運行早期修建的水庫逐步暴露出各類安全問題，給水利工程的安全運行提出了新的挑戰[2-3]。土石壩作為在我國廣泛應用的壩型，占已建大壩總數的90%以上，具有工程造價低、筑壩材料簡單、對工程地質條件適應性強及壽命長等優點[4-5]。土石壩存在的主要問題之一是滲漏問題，土石壩的滲漏會影響大壩的安全運行和水庫綜合效益的發揮，探索土石壩滲漏問題發生的原因已經成為目前研究的熱點和難點[6-8]。本文針對某土石壩出現的滲漏問題，采用有限元仿真方法進行大壩滲流和結構安全評價，并探討大壩出現滲漏問題的原因。

1 工程概況

某水庫建于20世紀60年代，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、發電等綜合效益的中型水利工程。樞紐工程主要由大壩、溢洪道、泄洪輸水隧洞等組成。壩址以上控制流域面積55.2 km2，總庫容5079萬m3，設計灌溉面積6.0×104畝，實際灌溉面積4.0×104畝。大壩為均質土壩，設混凝土心墻，心墻位于壩軸線上游側，心墻寬度60 cm，底部伸入基巖以下0.5 m，壩頂高程79.46 m，壩頂長446.0 m，寬6.0 m，最大壩高36.0 m。大壩上游為混凝土預制塊護坡，坡度自上而下分別為1∶3.23、1∶4.14；下游為草皮護坡，坡度自上而下分別為1∶2.52、1∶2.67。大壩典型斷面圖見圖1。

圖1 大壩典型斷面圖

壩址區出露地層較簡單，除第四系覆蓋層外，下伏基巖為燕山期花崗巖。壩基覆蓋層組成巖性主要有殘坡積含礫粘土層、壤土及砂卵石層。殘坡積含礫粘土為紅黃色，土質稍密，粘性中，可塑，可揉成條，礫石成份主要為風化的石英砂，主要分布于兩岸壩肩；壤土為灰色、灰黑色，土層較軟，粘性中～差，局部含有較多的粉細砂及少量草根，主要分布于河流兩岸的臺地中；砂卵石層為黃色，主要由中粗砂、卵石及少量黃泥組成，分選性及磨圓度較差，主要分布于河床及兩岸臺地中。壩基花崗巖發育有強、弱、微風化巖體。強風化帶巖體，巖石為灰黃色，節理裂隙發育且裂隙中多充填有泥質，巖芯破碎，為碎塊狀，一般厚度為1.40 m～9.80 m；弱風化帶巖體，巖石為青灰或麻灰色，巖石較硬，節理裂隙較發育，裂面為黃色及鐵褐色，一般厚度為1.40 m～6.80 m；微風化巖體為青灰色，巖石較堅硬，完整，節理裂隙不發育，且多閉合。

水庫從大壩中部至右側下游坡高程約53.00 m至排水棱體頂部范圍內，存在大面積濕潤區及多處滲水點，濕潤區及滲水點現場見圖2、圖3。

2 仿真分析

為探索工程下游壩坡出現大面積濕潤區及多處滲水點的原因，本節采用GeoStudio軟件建立有限元分析模型，模擬大壩現狀工程性態。根據壩體、壩基地質情況，同時考慮滲流觀測設施的埋設情況，選取最大壩高斷面進行分析，該斷面位于老河床附近(樁號0+196)，壩高最大，壩后設有排水棱體，并以此斷面代表大壩的實際滲流運行狀況。通過查閱工程設計、基礎的施工資料，初步判斷可能的原因有：大壩排水棱體處施工時，在壩腳土體與反濾料之間鋪設一道土工布，經多年運行，大壩反濾排水棱體與其下部砂卵石層堵塞，排水不暢，導致壩體浸潤線升高；大壩混凝土防滲心墻已失效及壩體材料防滲性能差。

圖2 大壩下游坡濕潤區

圖3 大壩下游坡滲水點

2.1 計算模型及參數

Geo-Studio軟件是由美國GEO-SLOPE公司研發的巖土工程仿真分析軟件，具有強大的仿真分析功能，目前已廣泛應用于巖土工程、水利工程及環境工程等領域[9]。該軟件由邊坡穩定性分析模塊(SLOPE/W)，應力變形有限元分析模塊(SIGMA/W)和地下水滲流分析模塊(SEEP/W)等八個子模塊構成，各子模塊之間互相兼容，方便用戶同時對研究問題進行穩定、滲流、應力變形等仿真分析。本次土石壩滲流有限元分析采用Seep/w子模塊進行，該模塊分為穩態滲流和瞬態滲流兩種分析方法，此次分析選用穩態滲流分析方法。

按以下步驟建立有限元分析模型：①選擇SEEP/W模塊啟動軟件，設置工作區域的尺寸，根據大壩的實際大小尺寸，設置260 m×200 m的工作區，單位設置成以mm計，比例設為1∶1200；②設置坐標軸和繪制模型，X軸方向設為距離，最大值300 m，增量為1 m，Y軸方向設為高程，最大值235 m，增量為1 m，按照選取的模型斷面圖在工作區繪制模型；③設置材料參數，滲透系數材料分析模型選擇僅飽和，具體滲透系數取值根據不同工況條件見表1，按分區對模型參數進行賦值；④網格劃分和邊界條件設置，在繪圖工具里選擇網格劃分，模型的邊界條件設為壓力水頭或總水頭，對以下工況組合進行有限元仿真計算：①上游水位68.53 m(現場查勘當日庫水位)與下游相應的最低水位47.00 m，反濾排水棱體與其下部砂卵石層未淤堵，防滲墻正常；②上游水位68.53 m與下游相應的最低水位47.00 m，反濾排水棱體與其下部砂卵石層均淤堵，防滲墻正常；③上游水位68.53 m與下游相應的最低水位47.00 m，反濾排水棱體與其下部砂卵石層未淤堵，防滲墻失效及壩體材料防滲性能差。土石壩滲流分析模型見圖4。

表1 大壩各分區的滲透系數取值表

圖4 有限元模型

2.2 仿真結果分析

當排水棱體與其下部砂卵石層正常，且防滲墻正常時，壩體浸潤線在排水棱體內出逸，見圖5；當排水棱體與其下部砂卵石層均淤堵時，且防滲墻正常時，壩體浸潤線在排水棱體之上出逸，出逸點高程53.12 m(對應上游水位68.53 m)，與現狀大壩下游干濕分界線高程較接近，見圖6；當排水棱體與其下部砂卵石層正常，但防滲墻失效時，壩體浸潤線在排水棱體之上出逸，出逸點高程53.60 m(對應上游水位68.53 m)，亦與現狀大壩下游干濕分界線高程較接近，見圖7。因此，通過有限元法驗證對大壩下游出現滲漏問題的判斷，大壩反濾排水棱體與其下部砂卵石層堵塞，或大壩混凝土防滲心墻已失效及壩體材料防滲性能差是工程出現滲漏問題的主要原因。

圖5 庫水位68.53 m下穩定滲流計算成果圖(未淤堵，防滲墻正常)

圖6 庫水位68.53 m下穩定滲流計算成果圖(淤堵，防滲墻正常)

圖7 庫水位68.53 m下穩定滲流計算成果圖(未淤堵，防滲墻失效)

3 結論

本文根據某土石壩下游壩坡出現大面積濕潤區情況，結合現場查勘、設計和施工資料建立有限元仿真模型，將仿真分析結果與工程現場進行對比，結果基本吻合，驗證了有限元仿真分析方法的可靠性。

由有限元計算結果可知，當排水棱體與其下部砂卵石層均淤堵時，且防滲墻正常時，壩體浸潤線出逸點高程53.12 m，當排水棱體與其下部砂卵石層正常，但防滲墻失效及壩體防滲性能差時，壩體浸潤線出逸點高程53.60 m，兩種情況下均與現狀大壩下游干濕分界線高程較接近。因此，大壩反濾排水棱體與其下部砂卵石層堵塞，或大壩混凝土防滲心墻已失效及壩體材料防滲性能差是工程出現滲漏問題的主要原因。