基于Autobank水庫大壩的一些穩定滲流分析

袁鳳娟

(安徽省阜陽市水利規劃設計院有限公司,安徽 阜陽 236000)

0 引 言

作為擋水建筑物,水庫大壩在水資源調度、農業灌溉、生活供水中發揮著重要作用。在實際運行過程中,長期的水流作用會使水庫大壩的耐久力不斷下降,甚至出現滲流現象[1-2]。水庫大壩滲流的產生會嚴重降低大壩的安全性,因此如何準確分析水庫大壩滲流,并提出相應的加固措施,是當前水利工作中必須關注的問題。已有研究提出,可以采用有限元分析軟件來構建水庫大壩的滲流計算模型,并利用有限元軟件根據區域水文、氣象、地質等相關資料,獲取水庫大壩滲流發生的基礎數據[3-4]。

目前,針對水工結構常用的有限元軟件為Autobank,該軟件能夠一次性求解多種安全系數,進而實現更為完善的滲流分析[5-6]。安徽省明光市境內分水嶺水庫于1980年建成,因長期受到水流作用,已經存在著較大的安全隱患。因此,本文基于Autobank軟件,提出分水嶺水庫大壩的滲流分析策略,為該水庫的防滲加固提供理論參考,從而提升水庫安全性。

1 Autobank軟件中的大壩滲流分析模型構建

1.1 工程概況

研究以安徽省明光市境內分水嶺水庫為研究對象,總庫容7 448×104m3,是一座以農業灌溉為主、兼起滯洪作用的中型水庫,屬淮河流域七里湖水系。水庫壩址建于白沙河上的3條支流匯合處,其控制來水面積113km2,壩址地形屬低山區,距明光市35km,距104國道16km,距京滬鐵路20km。分水嶺水庫防洪保護范圍包括明光市澗溪、魯山、白沙王等鄉鎮,以及江蘇省盱眙縣部分地區和S309公路,保護總人口5.0萬人,耕地0.466 7×104hm2。見圖1。

圖1 分水嶺水庫工程位置

水庫樞紐工程主要由主壩、副壩、溢洪道、東放水涵、西放水涵等建筑物組成,工程等別為Ⅲ等,主要建筑物級別為3級;防洪標準采用100年一遇洪水設計,2 000年一遇洪水校核;工程抗震設計烈度為Ⅶ度。

分水嶺水庫始建于1958年,施工時斷時續,歷時20余年,經過五期施工,到1980年基本建成。由于多種原因,大壩壩體填筑質量差,壩基、壩身防滲系統不完善,滲漏嚴重,影響大壩的正常運用;溢洪道消能設施不完善,沿程沖刷嚴重,淘刷壩腳,無法安全運行;放水涵洞洞身砌筑質量差,洞身斷裂,存在嚴重接觸滲漏;白蟻危害嚴重;該庫壩址處于7度地震烈度區。水庫不能在設計條件下安全運行,威脅下游澗溪鎮、江蘇省盱眙縣部分地區和S309省級公路以及5萬人口、0.4667×104hm2耕地安全,影響水庫綜合效益的發揮。

1.2 基于Autobank的水庫大壩滲流分析模型

Autobank軟件是行業性應用軟件,以CAD界面為基礎,通過定義大壩基礎數據進行有限元分析,能夠快速計算出大壩的不同滲流場,進而判斷大壩的穩定性[7-8]。為了判斷分水嶺水庫的穩定性,利用河海大學工程力學研究所的 Autobank7.08 程序進行有限元法滲流計算分析。在Autobank軟件的滲流分析中,首先定義材料表,見表1。

表1 Autobank軟件中大壩材料定義

表1中,kx表示X軸方向的滲透系數,ky表示Y方向的滲透系數。此外,經過材料定義繪制大壩的斷面圖,同時在斷面劃分中為每個土層區域選擇合適的材料。然后,繪制出分水嶺水庫在Autobank軟件中的斷面網格圖,利用網格圖來判斷大壩滲流情況。

在石窟大壩滲流分析中,對于穩定滲流,符合達西定律的非均各向異性二維滲流場,水頭勢函數滿足微分方程,公式如下:

(1)

式中:φ為待求水頭勢函數;x、y為平面坐標;kx為X軸方向的滲透系數;ky為Y方向的滲透系數[9]。

將滲流場用有限元離散,假定單元滲流場的水頭函數勢φ為多項式,由微分方程及邊界條件確定問題的變分形式,可導出線性方程組,公式如下:

[H]{φ}=[F]

(2)

式中:[H]為滲透矩陣;{φ}為滲流場水頭;[F]為節點滲流量。

通過線性方程組的求解,可以得到水庫大壩的節點水頭,以此可計算出單元的水力坡降等物理量。對于非穩定滲流,需要根據設定的給水度值定義非穩定滲流邊界,并求解得到不同水位下的水頭、滲透比降等物理量[10-11]。至此,可以建立基于Autobank軟件的水庫大壩穩定滲流分析模型。

2 水庫大壩穩定滲流分析

為了進一步加固分水嶺水庫大壩,研究選擇Autobank軟件進行穩定滲流分析,并構建水庫大壩滲流分析模型。為了確定Autobank軟件中水庫大壩滲流分析模型的構建有效性,其有限元網格見圖2。

圖2 分水嶺水庫大壩的有限元網格

由圖2可知,在滲流分析模型設計中,將正常蓄水位設置為48.50m,將施工期水位設置為38.50m,將死水位設置為41m,將設計洪水位設置為50.22m,將校核洪水位設置為51.04m。在有限元網格分析后,為了進一步了解水庫大壩滲流分析模型的可行性,研究提出對比實驗來進行驗證,結果見圖3。

圖3 滲流分析模型與實際值的擬合程度分析

由圖3(a)可以看出,計算值與實際值之間的曲線變化趨勢呈現一致性。其中,分水嶺水庫的滲流量最大值為12.10m3/h,最小值為5.02m3/h;計算值與實際值的最大誤差為0.12m3/h,最小誤差為0.01m3/h,兩者的擬合值R=0.872。

由圖3(b)可以看出,在水庫水位分析中,分水嶺水庫的最大水位為51.04m,最小水位為48.5m;模型計算值與實際值差異不明顯,最大誤差值為0.07m,實際值與計算值的擬合值為0.907。

以上結果表明,研究所構建的基于Autobank軟件的水庫大壩穩定滲流分析模型具有可行性,能夠計算得到大壩的實際滲流結果。基于此,進一步分析不同工況下的分水嶺水庫大壩滲流,結果見表2。

表2 不同工況下的分水嶺水庫大壩滲流分析

由表2可知,在校核洪水位為51.04m時,大壩的滲流量最大,達到306.315m3/d;該工況下的出逸點高程也最大,達到31.06m。

利用Autobank軟件的水庫大壩穩定滲流分析模型進行水庫大壩的穩定性分析,并將運用條件分為正常、非常Ⅰ、非常Ⅱ。其中,非常Ⅰ表示非正常情況;非常Ⅱ表示極端非正常情況,即遇地震。計算結果見表3。

表3 不同工況下的分水嶺水庫大壩安全系數

由表3可知,在上游坡正常和非常Ⅰ運用條件中,不同工況下安全系數計算值均處于規范允許的范圍內,即不同工況下的大壩穩定性較好。在非常II運用條件中,在死水位為41.00m、下游無水時,壩體遭遇7級地震,導致其原斷面和截滲后的安全系數低于規范允許值。表明在地震條件下,水庫大壩壩體會出現不穩定現象。在下游坡中,在不同運用條件中的工況穩定性計算值均處于規范允許范圍內,表明下游坡壩體能夠始終保持穩定滲流。

通過滲流分析結果進行水庫大壩加固模擬,進而確定分水嶺水庫大壩加固方向。研究認為,該大壩受地震影響嚴重,高級別地震會顯著增加其滲透性,并降低安全系數。為此,在大壩的防滲加固處理模擬中,研究考慮不同級別的地震影響,并分析不同級別下的水庫大壩滲流和永久位移變化,結果見圖4。

圖4 大壩加固效果模擬

由圖4(a)可以看出,隨著地震級別的增加,大壩的滲流量最大值也隨著增大。但當地震為8級時,最大滲流量為3.17m3/d,仍然處于可允許范圍內。由圖4(b)可以看出,隨著時間和地震級別的增加,水庫大壩的永久位移呈現不斷增長的趨勢。當地震級別為8級時,最大永久位移量達到87.61mm。

以上結果表明,通過Autobank軟件來模擬分水嶺水庫大壩加固后的穩定滲流變化具有可行性,能夠得到大壩的滲流量和永久位移變化,可為大壩的后期加固和修復提供技術支持。

3 結 論

本文基于Autobank軟件,建立了水庫大壩穩定滲流分析模型,并以分水嶺水庫為研究對象進行了參數設置。結果顯示,研究所構建的滲流分析模型的計算值與實際值之間的擬合值最大為0.907;滲流分析中,分水嶺水庫的最大滲流量為306.315m3/d;水庫的上游坡在地震條件下的安全系數低于允許值;在模擬中顯示,研究提出的加固方案能夠降低大壩滲流量和永久位移量。結果表明,Autobank軟件可對分水嶺水庫大壩進行穩定滲流分析。