西霞院反調(diào)節(jié)水庫(kù)土石壩段三維滲流有限元分析

彭 英 陳會(huì)芳 王 琳 喻和平

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院 長(zhǎng)沙市 410114； 2.黃河水利水電開(kāi)發(fā)總公司 鄭州市 450000）

滲流問(wèn)題是大壩安全評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容，國(guó)內(nèi)外統(tǒng)計(jì)資料證實(shí)，在失事的壩與水庫(kù)中有約1/4 是由滲流問(wèn)題引起的[1]，特別是土石壩，滲流問(wèn)題更是影響其安全的關(guān)鍵。西霞院水庫(kù)為黃河小浪底水庫(kù)的反調(diào)節(jié)水庫(kù)，通過(guò)對(duì)小浪底水電站調(diào)峰發(fā)電的不穩(wěn)定水流進(jìn)行再調(diào)節(jié)，使下泄水流均勻穩(wěn)定，對(duì)于充分發(fā)揮小浪底水利樞紐的綜合效益，作用顯著，壩已運(yùn)行近五年來(lái)，有必要對(duì)庫(kù)壩的滲流情況進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。土石壩滲流計(jì)算的方法很多，歸納起來(lái)有水力學(xué)方法、流體力學(xué)方法、試驗(yàn)方法和有限單元方法幾類。水力學(xué)法是一種近似的方法，只適用在滲流表面緩慢下降，流線比較平緩的滲流地段。流體力學(xué)方法比較精確，但由于土壩滲流的邊界條件十分復(fù)雜，要直接解滲流連續(xù)方程存在困難。有限單元法能較好地適應(yīng)邊界條件，解決復(fù)雜的滲流問(wèn)題，是一種精度較高的近似計(jì)算方法[2]。

有關(guān)三維滲流的有限元分析程序，國(guó)內(nèi)外已有很多。如：Ansys、Slope、Seep、Autobank 等，但是繁瑣的前后處理工作使得程序的使用困難。有限元計(jì)算程序GEHOMadrid 與前后處理軟件GID 有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，避免了為計(jì)算程序準(zhǔn)備大量數(shù)據(jù)的煩瑣工作,簡(jiǎn)化了有限元程序的使用[3]。本文采用GID 軟件對(duì)西霞院反調(diào)節(jié)水庫(kù)建立三維模型并進(jìn)行前后處理，采用有限元程序軟件GEHOMadrid 對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定滲流計(jì)算分析。

1 工程概況

西霞院反調(diào)節(jié)水庫(kù)是小浪底水利樞紐的配套工程，以反調(diào)節(jié)為主，結(jié)合發(fā)電，兼顧灌溉、供水等綜合利用。工程位于小浪底壩址以下16 km 處，左岸為吉利區(qū)南陳村，右岸為孟津縣平莊，控制流域面積69.5萬(wàn)km2，土壩最大壩高21 m，水庫(kù)總庫(kù)容為1.62 億m3，裝機(jī)容量14 萬(wàn)kW，年發(fā)電量為5.9 億kW·h，壩軸線總長(zhǎng)達(dá)到3 122 m，其中土石壩段2 609 m，工程布置及本文的研究壩段見(jiàn)圖1。該工程規(guī)模為大（Ⅱ）型，屬Ⅱ等工程。

圖1 西霞院水庫(kù)工程布置及計(jì)算區(qū)域圖

2 土石壩段滲流計(jì)算

2.1 滲流計(jì)算基本方程[4-5]

（1）滲流連續(xù)性方程。

式中 ν——通過(guò)兩個(gè)滲流斷面間的平均滲流流速；

ρ——水的密度；

h——滲流測(cè)壓管水頭；

Ss——單位儲(chǔ)存量，Ss=ρ2g（α+nβ）；

n——土顆粒骨架的壓縮性；

β——水的壓縮性。

（2）滲流基本微分方程。

2.2 計(jì)算模型

根據(jù)西霞院大壩壩區(qū)地形地質(zhì)情況和水文地質(zhì)資料，確定模型沿壩軸線方向截取60 m，基巖垂直往下18 m，網(wǎng)格剖分采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)為33 202，單元數(shù)為29 400，壩體部分考慮了各土石層的分區(qū)分塊，以及土工膜材料，壩基考慮了混凝土防滲墻和地基的巖層分類，具體模型見(jiàn)圖2。

2.3 計(jì)算工況

滲流計(jì)算考慮以下三種工況：正常蓄水位134 m及對(duì)應(yīng)下游水位121 m；設(shè)計(jì)洪水位132.56 m 及對(duì)應(yīng)下游水位125.3 m；校核洪水位134.75 m 及對(duì)應(yīng)下游水位126.23 m。

圖2 土石壩整體三維網(wǎng)格圖

2.4 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘探資料確定各種介質(zhì)的滲透系數(shù)如表1。

表1 各種介質(zhì)的滲透系數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 模擬計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

為了驗(yàn)證模型及計(jì)算結(jié)果的可靠性，將滲透水頭計(jì)算值和監(jiān)測(cè)結(jié)果作比較，如表2，監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用自動(dòng)化觀測(cè)，一般每日監(jiān)測(cè)1 次。由于埋設(shè)時(shí)間有所差異，其測(cè)孔資料系列有所區(qū)別，部分測(cè)點(diǎn)從2005年起測(cè)，其余測(cè)點(diǎn)從2006年起測(cè)，分析數(shù)據(jù)截至到2012年1月31日，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置位置如圖3。比較分析得出，計(jì)算得到的滲壓水頭總體上與實(shí)際滲壓水頭相差不大，說(shuō)明計(jì)算得到的滲流場(chǎng)較真實(shí)地反映了壩體滲流真實(shí)情況。

儀器編號(hào)P3-22 P3-23 P3-24 P3-25 P3-26 P3-27 P3-28 P3-29安裝高程/m 131.00 128.03 126.50 121.17 121.25 123.52 122.50 123.00計(jì)算值131.89 128.26 123.26-123.30 123.00 122.50 122.20觀測(cè)值(最小值～最大值）130.51～131.16 127.49～128.37 124.89～125.67 120.42～133.39 120.30～123.19 122.93～123.40 121.69～122.54 122.65～123.07水頭/m

圖3 滲透水頭監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖（m）

3.2 滲流三維有限元結(jié)果分析

圖4～圖6 分別為正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位及核洪水位下三種工況下的整體流云圖，結(jié)果表明壩體內(nèi)滲透水壓力都較小，最大滲透壓力分別為49.95 kPa、49.91 kPa、51.79 kPa，發(fā)生在基巖處。圖7～圖9 分別為三種工況下橫剖面的滲透壓力等值線圖，表明壩體滲透浸潤(rùn)線位置很低，經(jīng)過(guò)防滲墻之后，滲透水壓力等值線分布基本保持水平，主要原因是防滲體后材料透水性均比較大，對(duì)水流的損失較小。

由表3 可知，防滲墻和土工膜的防滲效果很好，最大滲透坡降分別達(dá)到24.24 和16.90，大大降低了壩身和壩基的浸潤(rùn)線，當(dāng)上游為設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位時(shí)，下游浸潤(rùn)線逸出點(diǎn)高程分別達(dá)到5.7 m 和6.8 m，與相應(yīng)的下游水位相差不大，都在貼坡排水保護(hù)范圍內(nèi)；下游段壩體和壩基逸出比降都很??；壩殼砂卵石層和壩基砂卵石層的滲透坡降較小，小于允許滲透坡降0.1，壩基砂層的滲透坡降也小于允許滲透坡降0.27，不會(huì)發(fā)生滲透破壞。比較三種工況，隨著上下游水頭的增大，壩體各分區(qū)及壩基滲透坡降及流量均相應(yīng)增大，但變化幅度不大，不會(huì)對(duì)水庫(kù)的正常運(yùn)行造成不利影響。隨著上下游水位的升高壩體浸潤(rùn)面也升高，但變化幅度不大，且壩體浸潤(rùn)面變化受下游水位變化的影響較大。

表3 穩(wěn)定滲流計(jì)算成果表

圖4 正常蓄水位下整體滲流云圖（單位：102 Pa）

圖5 設(shè)計(jì)洪水位下整體滲流云圖（單位：102 Pa）

圖6 校核洪水位下整體滲流云圖（單位：102 Pa）

圖7 正常蓄水位滲透壓力等值線圖(102 Pa)

圖8 設(shè)計(jì)洪水位滲透壓力等值線圖(102 Pa)

圖9 校核洪水位滲透壓力等值線圖（102 Pa)

4 結(jié) 論

（1）各種工況下，壩體、壩基滲流場(chǎng)總水頭、壓力水頭和滲透坡降的分布規(guī)律合理。滲流等值線形狀、走向及密集程度均正確反映出相應(yīng)位置處的巖土體滲流特性、邊界條件的影響和滲控措施的作用。

（2）在壩體上游土工膜和壩基混凝土防滲墻的聯(lián)合作用下，壩體和壩基各處的滲透壓力、滲透水頭和滲流量都得到了極大的消減，說(shuō)明滲流得到了有效控制，大壩斷面材料分區(qū)、壩體和壩基的防滲排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理。建議加強(qiáng)對(duì)土工膜的維護(hù)，防止破損，一旦由于各種外力出現(xiàn)破損情況，應(yīng)立即做好修復(fù)，確保防滲效果。

（3）有限元計(jì)算程序GEHOMadrid 與前后處理軟件GID 能有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，在GID 前處理環(huán)境中可完成模型指定邊界條件，施加荷載，分配材料參數(shù),進(jìn)行網(wǎng)格剖分等所有前處理工作，并可直接進(jìn)行分析計(jì)算，避免了為計(jì)算程序準(zhǔn)備大量數(shù)據(jù)文件的煩瑣工作，簡(jiǎn)化了有限元程序的使用。

1 林繼鏞.水工建筑物［M］.第4 版．北京:中國(guó)水利水電出版社，2007.

2 顧慰慈.土石（堤）壩的設(shè)計(jì)與計(jì)算［M］.北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社.2006.

3 姚緯明，牛志偉，李同春.基于GID 的程序界面設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.水利水電科技進(jìn)展，2003，23（3）:22-24.

4 朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，1998.

5 毛昶熙．滲流計(jì)算分析與控制[M]．北京:水利電力出版社，1990.

6 錢家歡，殷宗澤.土工原理與計(jì)算[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，1996.