瀘西縣平海子水庫工程大壩滲流的數(shù)值模擬分析

楊連驊

（廣東省水利水電建設有限公司,廣東 廣州 510630）

瀘西縣平海子水庫工程大壩的壩型為均質土壩,其具有地質要求低、造價低等特點。我國現(xiàn)有土石壩工程較多,在其研究過程中,最重要的就是土壩的安全性[1],而影響土石壩安全的核心因素為滲流,其會對工程的安全與造價產生直接影響。大部分工程潰決的原因都是因為滲流的控制設計方面存在缺陷[2]。瀘西縣平海子水庫的修建時間較早,受限于當時經濟、技術的發(fā)展,壩體土料不均勻、壩基清理不徹底、壩體碾壓質量存在較大差異[3],走位對滲漏區(qū)域展開防滲處理,在長期運行后己成為病險水庫,具有壩體嚴重滲漏、外壩坡面嚴重變形等問題[4]。而瀘西縣降雨的季節(jié)性特征顯著,當暴雨降臨時,水庫水位暴漲,大壩兩側低洼出漫水,洪水逼近壩頂,壩身多處出現(xiàn)管涌,抵御災害的能力較弱,所以需要對當?shù)氐乃O施予以重新檢測和評價,在擴建過程中完成除險加固[5]。通過對瀘西縣平海子水庫的擴建,從根本上解決壩體病險問題,擴大了水庫的防洪庫容,令瀘西縣的防洪抗險能力整體上提高了一個層次,從而保障了當?shù)厝嗣竦陌踩玔6]。瀘西縣平海子水庫工程大壩的建設,能夠在汛期時攔截豐裕的來水資源,將其儲存在水庫內,方便供枯期時用水,極大程度上緩解干旱的災情,令灌溉區(qū)域土壤的資源優(yōu)勢得以充分發(fā)揮,具有積極的作物產量提升作用。針對土石壩工程的滲流控制設計施工,本文提出基于有限元分析軟件ANSYS 的水庫工程大壩滲流數(shù)值模擬,對瀘西縣平海子水庫工程大壩的穩(wěn)定滲流問題展開了有益的嘗試[7]。

1 工程概況

平海子水庫位于瀘西縣永寧鄉(xiāng)境內,水庫地處縣城南部23 km 處,壩址位于小江河中下游工農隧洞出口下游,修建在一個溶蝕洼地谷盆中,除西之外的地形較高,建造有一壩頂長220 m 的均質土壩,正常蓄水位與校核洪水位的標高分別為1636.50 m、1637.89 m,總庫容為294.10 萬m3,有直通公路,交通便利。擴建后的平海子水庫是一座中型水利工程,能夠同時完成農業(yè)灌溉和防洪抗險,總庫容擴大至1067.2 萬m3,壩高最大為29.5 m。水庫新設3 號壩,擬定的壩型為粘土斜墻風化料壩,壩頂標高55 m,正常蓄水位標高1653.47 m。

2 大壩工程地質

2.1 壩線、型比選

基于工程與水文的地質條件、水工建筑物部署以及工程量給出上壩線建議,壩體包括1、2、3 號壩,然后對填筑、防滲的土料以及風化料的指標質量與儲量的條件因素進行綜合考量,選擇粘土斜墻風化料壩為三座壩體的壩型。

2.2 老壩體工程地質條件

受限于當時的施工條件,老壩體筑壩時的壩體較薄、滲透性較大、力學強度較低,壩基、壩肩位置具有一定的滲漏情況,嚴重影響粘土斜墻截水槽,需要對部分展開挖除處理。

2.3 擬擴建壩址工程地質條件

以1 號壩為例,該壩為粘土斜墻風化料壩,全長980 m,壩高最大值為29.5 m。

2.3.1 壩基滲漏及滲透穩(wěn)定

壩基與壩肩基巖具有溶隙、脈管滲漏情況,年漏失量估算結果為5290.24 萬m3,漏水量近似為擴建水庫正常庫容的5 倍左右,滲漏情況十分嚴重,急需展開防滲處理,壩基整體區(qū)域內的Qalp、Qeld土體與強風化巖體允許水體坡降高于實際滲透比降,其滲漏不發(fā)生破壞。但Qalp、Qeld表層2.5 m 的松散土體存在出現(xiàn)流土破壞的風險,需要對其整體進行清除。

2.3.2 壩基強度和壓縮變形

壩基表層為Qeld1含礫高液限粘土層覆蓋,僅需清理上層壓縮性較高的土體,其余當作壩基持力層,下伏T2gd2白云巖,其具有較高的強度以及地基允許承載力、抗剪強度,具有較強的抗變形力,符合上方壩體的所有承壓條件。

2.3.3 壩基抗滑穩(wěn)定

清除淺部結構松散強度低的壩基表層Qeld土層段,以剩余具有一定抗剪強度的土體為上方壩體的持力層。基巖全風化層零星分布在壩基位置,其具有厚度薄、不連續(xù)的特征,對壩基抗滑穩(wěn)定的影響較小。強風化層節(jié)理裂隙發(fā)育,具有不利結構面組合體,但是整體規(guī)模較小,對整體壩體抗滑穩(wěn)定無影響。強風化以下巖體整體性好且抗剪強度高,無抗滑不穩(wěn)定問題。

2.3.4 壩基土地震液化

壩基清基后余下的地基土層為Qeld1含礫高液限粘土層和T2gd2白云巖全風化層。按照《水利水電工程地質勘查規(guī)范》（GB 50487-2008）附錄P 土的液化判別,區(qū)間Qeld粘粒含量為55%~79%,全風化層粘粒含量也約為23%,都高于規(guī)范規(guī)定值,區(qū)間全部土體都不會發(fā)生地震液化。

2.3.5 壩基開挖邊坡穩(wěn)定性

壩基截水槽與清基深度較淺,清基后基礎都是第四系松散土體,受水的作用影響存在滑動與蠕變的風險,邊坡穩(wěn)定性差。

2.3.6 壩基開挖基坑涌水量預測

整體壩基地下水位掩埋較深,都在開挖的基坑之下,所以形成基坑后無涌水。

本研究選取瀘西縣平海子水庫工程大壩1 號壩為研究對象,根據(jù)該實例大壩水文地質資料可得知,該壩的填土主要為砂巖,計算參數(shù)見表1。

表1 平海子水庫工程大壩計算參數(shù)

2.4 上游壩坡處理

因為上游壩坡可能會發(fā)生滑坡,不符合滲透穩(wěn)定條件,所以需要通過在上游壩坡鋪設土工膜實現(xiàn)防滲。依據(jù)土工膜規(guī)格及規(guī)范處理要求,選取滲透系數(shù)為1.2×10-11cm/s,厚度為6 m 的土工膜。其中,土工膜只具有防滲功能,不影響大壩強度,其主要原理是通過減少壩體內部滲透水壓提升壩體安全性,后續(xù)研究工作中可忽略土工膜的作用。

3 瀘西縣平海子水庫工程大壩滲流的數(shù)值模擬分析

3.1大壩模型介紹

結合上述大壩資料利用有限元分析軟件ANSYS 構建平海子水庫工程大壩的模型,并對其展開網格劃分,網格劃分后的壩體模型見圖1。

圖1 壩體模型網格劃分圖

3.2 基于ANSYS 的大壩滲流計算原理

基于ANSYS 的滲流計算原理對瀘西縣平海子水庫工程大壩進行滲流計算,結合理論、微分方等說明ANSYS 滲流場計算原理,證明ANSYS 計算的合理性。

3.2.1 滲流場基本理論

基于達西定律可v得,多孔介質滲流符合公式（1）,表示為：

式中： 為平均流量；QS為滲流量；A 為斷面面積；KS為滲流系數(shù)；J 為坡降。

3.2.2 滲流場微分方程

針對不能壓縮各向異性非均質穩(wěn)定滲流微分方程：

針對能壓縮各向異性非均質穩(wěn)定滲流瞬態(tài)微分方程：

式中： 為測壓水頭；

sx、sy、sz分別表示 、、 方向的滲流系數(shù)；SS為儲存量。

3.2.3 初始條件與邊界條件

滲流場初始條件為：

第一類邊界條件：

第二類邊界條件：

式中：hsn為沿邊界垂直方向的滲透系數(shù)；qs（x，y，z，t）表示邊界已知流速；為滲流場為沿邊界垂直方向的梯度值。

數(shù)值模擬的基礎是理論分析,完善的滲流計算理論可以保證ANSYS 的滲流計算模擬結果的可靠性。

4 平海子水庫工程大壩滲流的ANSYS 求解及數(shù)值模擬結果分析

浸潤線沒有抵達下游壩坡,壩內滲流從壩體下游滲入透水基層,沿大壩基層流走。

X/m 解析解/m ANSYS 解/m 47.5 19 19 57.5 17.01 16.98 67.5 14.73 14.65 77.5 12.34 12.31 87.5 8.54 8.46 97.5 0.99 0.93 107.5 0.11 0.07

通過表2 可以看出,ANSYS 計算所得浸潤線位置極為接近解析解,得出數(shù)值模擬結果較為可靠,所以通過ANSYS 模擬平海子水庫工程大壩滲流是有效的。

5 結論

本文以有限元分析軟件ANSYS 為基礎,對平海子水庫工程大壩的滲流情況進行數(shù)值模擬計算,通過實例分析得出結論為：（1）基于ANSYS 的平海子水庫工程大壩滲流數(shù)值模擬結果極為接近解析解,滲流分析結果較可靠。（2）計算了平海子水庫工程大壩的滲流量并模擬了穩(wěn)定運行期的大壩浸潤線位置,通過比較分析結果與解析解驗證ANSYS 的正確性。未來還可以在不斷學習最新技術的基礎上進一步展開研究。