基于GEO-STUDIO有限元理論的砌石重力壩滲流分析

□賈大周□杜躍亭□賈鵬生（南陽市水利建筑勘測設(shè)計(jì)院；河南靈捷水利勘測設(shè)計(jì)研究有限公司）

基于GEO-STUDIO有限元理論的砌石重力壩滲流分析

□賈大周1□杜躍亭2□賈鵬生1
（1南陽市水利建筑勘測設(shè)計(jì)院；2河南靈捷水利勘測設(shè)計(jì)研究有限公司）

砌石壩在我國有著悠久的歷史，采用卵石砌筑的都江堰分水堰成就了“天府之國”并一直使用至今；廣西靈渠也是使用大塊石灰?guī)r和大卵石砌筑的溢流壩。砌石重力壩作為砌石壩中一種常見類型主要依靠自身的重量來保持壩體穩(wěn)定和滿足強(qiáng)度要求。文章在有限元理論的基礎(chǔ)上，針對砌石重力壩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以有限元程序G EO-STU D IO中SEEP/W模塊作為主要計(jì)算工具，對桐柏縣病險(xiǎn)水庫水簾水庫溢流壩段進(jìn)行仿真模擬分析，研究現(xiàn)狀和除險(xiǎn)加固后壩體的滲流場和壩基揚(yáng)壓力分布情況，檢核除險(xiǎn)加固效果。

重力壩；除險(xiǎn)加固；滲流分析

1　滲流計(jì)算原理

水體在介質(zhì)內(nèi)部的流動方程根據(jù)是否考慮時(shí)間效應(yīng)，將計(jì)算分析劃分為穩(wěn)態(tài)（Steady State）和瞬態(tài)（Transient）兩種情況：前者為理想狀態(tài)，不考慮時(shí)間和初始內(nèi)部體積含水量變化的影響，流體的運(yùn)動方程見式（1）。瞬態(tài)分析考慮了時(shí)間作用，用以分析水位及浸潤線等隨時(shí)間的變化過程，流體運(yùn)動方程見公式（2）。

式中：H為總水頭；、kx、ky分別為介質(zhì)x、y方向的滲透系數(shù)；q為邊界流量；θ為體積含水量；t為時(shí)間。

當(dāng)計(jì)算時(shí)間足夠長時(shí)，瞬態(tài)分析結(jié)果接近穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果，因此可以近似認(rèn)為穩(wěn)態(tài)分析是瞬態(tài)分析的一個(gè)特例。

有SEEP/W模塊中，材料結(jié)構(gòu)中引入非飽和土特性。反映非飽和材料特性的參數(shù)有：土體的滲透系數(shù)、基質(zhì)吸力、土體體積含水量等。非飽和土體的滲透系數(shù)是土體體積含水量和基質(zhì)吸力的函數(shù)，土體體積含水量的變化受到土體應(yīng)力狀態(tài)和土性的影響。土體應(yīng)力狀態(tài)主要由（σ-ua）和（ua-uW）控制，其中σ為土體總應(yīng)力、ua為孔隙氣壓力，則土體體積含水量只與ua-uW有關(guān)，體積含水量與時(shí)間的關(guān)系可由式（3）表示：

式中：mw表示由負(fù)孔隙水壓力引起的體積變化系數(shù)，為土水特征曲線斜率。

2　工程概況

水簾水庫位于河南省桐柏縣水簾寺西小河上，工程等級為Ⅲ等，主要建筑物級別為3級。設(shè)計(jì)水位217.60 m（黃海高程系，下同），相應(yīng)庫容151.50萬m3；校核水位218.30 m，相應(yīng)庫容160萬m3；興利水位215.50 m，興利庫容120萬m3；設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為50a一遇設(shè)計(jì)，500a一遇校核。大壩為漿砌石重力壩，壩頂全長132.00 m（含溢流段26.80 m），壩頂高程219.10 m，最大壩高34.10 m，壩頂寬3.50 m，上游邊坡為1：0.25，下游邊坡為1：0.80。壩體上游188.00 m高程處設(shè)一條縱向排水廊道，并在不同高程設(shè)橫向廊道，高程205.50 m處設(shè)一條縱向交通廊道，并與排水廊道連通。

依據(jù)《河南省桐柏縣水簾水庫大壩安全評價(jià)報(bào)告》（2014. 11），“壩基排水孔處揚(yáng)壓力折減系數(shù)（0.51）大于設(shè)計(jì)折減系數(shù)（0.38），壩基未設(shè)置灌漿帷幕，壩踵建基面處滲透坡降較大，綜合評定大壩滲流安全性為“C”級。水庫大壩存在嚴(yán)重病險(xiǎn)，根據(jù)《水庫大壩安全評價(jià)導(dǎo)則》（SL258-2000），水簾水庫大壩應(yīng)屬“三類壩”，應(yīng)盡快開展除險(xiǎn)加固工作?！?/p>

3　計(jì)算模型及參數(shù)

3.1計(jì)算模型

根據(jù)圣維南原理，為了解除壩基邊界條件對壩體受力的影響，應(yīng)盡量擴(kuò)大有限元的計(jì)算范圍。本次模型選取溢流壩段為研究對象，壩基深度（y方向）取35 m，約為1倍的壩高；順河流向（x方向）在壩踵、壩趾上下游各取35 m；最后確定計(jì)算模型長（z）106.60 m、寬 （y）71.20 m、厚 （x）26.80 m，有限元模建模范圍：-43.77≤x≤62.86；-36.50≤y≤34.70

因現(xiàn)狀壩體滲漏嚴(yán)重，迎水側(cè)防滲面板損毀，漿砌石壩排水孔對壩體滲流場和揚(yáng)壓力的影響很大，故在建模過程中將壩體、壩基排水孔單獨(dú)劃分單元區(qū)域。另外，除險(xiǎn)加固前單層防滲面板，除險(xiǎn)加固后考慮新舊雙層面板。

3.2計(jì)算參數(shù)

參考工程地質(zhì)勘查報(bào)告中提出的壩體透水率為100Lu。根據(jù)透水率與滲透系數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系，并結(jié)合現(xiàn)狀壩體滲流情況進(jìn)行反演分析，采用參數(shù)詳見表1。

表1　壩體和壩基材料參數(shù)表

4　計(jì)算成果

4.1除險(xiǎn)加固前滲流計(jì)算

對現(xiàn)狀大壩溢流壩段在正常水位、設(shè)計(jì)水位和校核水位工況下進(jìn)行仿真計(jì)算，由于篇幅所限，僅列出正常水位下的計(jì)算成果，詳見表2；正常水位工況下基底壓力分布圖見圖1。

表2　除險(xiǎn)加固前正常水位工況揚(yáng)壓力折減系數(shù)計(jì)算表

圖1　正常水位工況下基底壓力分布圖

由圖1可以看出，壩體基底壓力自壩踵至壩趾遞減，在排水孔位置前有明顯折減，選取排水孔處的壓力和最大壓力進(jìn)行比較，結(jié)果見表2。通過計(jì)算，除險(xiǎn)加固前排水孔處的揚(yáng)壓力折減系數(shù)為4.53×10-1，大于設(shè)計(jì)值0.38，與現(xiàn)狀廊道底板開裂、向上涌水的現(xiàn)象相吻合。除險(xiǎn)加固前正常工況基底壓力回歸分析圖見圖2。

選取正常水位基底壓力數(shù)據(jù)，以排水孔處坐標(biāo)為分界，將基底壓力數(shù)據(jù)分成前后兩部分，分別對前、后兩部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可得到兩部的回歸函數(shù)：

式中：P1、P2為前、后兩部分基底壓力；R1、R2為前后兩部分回歸函數(shù)的方差。

圖2　除險(xiǎn)加固前正常工況基底壓力回歸分析圖

由圖2和式（4）、式（5）看出兩部分的回歸函數(shù)方差均＞0.90，近似呈線性分布，聯(lián)合兩式可求得交點(diǎn)處的坐標(biāo)為（2.4，130.88），回歸分析后可以求得排水孔的揚(yáng)壓力折減系數(shù)為0.41，大于設(shè)計(jì)值0.38。綜合各工況的計(jì)算結(jié)果和回歸分析的計(jì)算結(jié)果，現(xiàn)狀排水孔處揚(yáng)壓力折減系數(shù)偏大，對壩體整體穩(wěn)定不利，因此必須采取相關(guān)措施對壩體進(jìn)行除險(xiǎn)加固。

4.2原因分析與工程措施

對于造成現(xiàn)狀基底揚(yáng)壓力折減系數(shù)過大的原因，結(jié)合現(xiàn)場查勘、大壩安全鑒定及地質(zhì)勘探報(bào)告，分析如下：一是迎水側(cè)防滲面板損壞，已失去防滲擋水之功能；二是鉆孔取芯率低，壩體砌石空隙大，填筑不密實(shí)；三是壩基排水管堵塞嚴(yán)重，已失去作用。

針對上述原因，遵循“上堵、中截、后排”的原則，擬采取在大壩上游新建防滲面板，采用C25W6鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，面板厚度為0.50～1.12 m，并與壩體基礎(chǔ)的混凝土墊層連成整體。在壩頂及交通廊道各布置一排壩體灌漿孔進(jìn)行固結(jié)灌漿，灌漿孔間距3.00 m。在防滲面板下新打帷幕灌漿孔布置1排，深入壩基線以下5～10 m。同時(shí)，在溢流壩段堰頂向下新打排水孔，孔距3 m，并對非溢流壩段壩體排水孔采取防堵措施。待灌漿結(jié)束后沿現(xiàn)狀排水廊道上游側(cè)新打壩基排水孔1排，深入壩基線以下5 m。

4.3除險(xiǎn)加固后壩體滲流計(jì)算

結(jié)合除險(xiǎn)加固措施和除險(xiǎn)加固后參數(shù)變化分析結(jié)果，仍采用上述方法進(jìn)行除險(xiǎn)加固后壩體滲流分析計(jì)算。經(jīng)過除險(xiǎn)加固后，基底排水孔處的壓力明顯降低，由原來的147.46 kPa減小到97.29 kPa，基底揚(yáng)壓力折減系數(shù)由原來的4.53×10-1減小至0.31。具體見圖3。

對前、后兩部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可得到兩部分的回歸函數(shù)：

式中參數(shù)符號意義同前。

圖3　除險(xiǎn)加固后正常工況基底壓力回歸分析圖

由圖3和式（6）、式（7）看出兩部分的回歸函數(shù)方差均＞0.90，近似呈線性分布，聯(lián)合兩式可求得交點(diǎn)處的坐標(biāo)為（2.21，106.80），可以得到排水孔的揚(yáng)壓力折減系數(shù)為0.33，滿足規(guī)范要求。可見，本次除險(xiǎn)加固采取的加固措施能明顯降低揚(yáng)壓力折減系數(shù)，方法合理、得當(dāng)，效果明顯。

5　結(jié)論

以桐柏縣水簾水庫為研究對象，借助于有限元軟件GEO-STUDIO中的SEEP/W模塊對除險(xiǎn)加固前后的溢流壩段進(jìn)行正常水位工況下模擬分析，結(jié)果表明：基底揚(yáng)壓力折減系數(shù)模擬值4.53×10-1和回歸分析值0.41均大于設(shè)計(jì)值0.38，與現(xiàn)狀壩體滲漏現(xiàn)象吻合。通過在迎水側(cè)新建防滲面板、對壩體進(jìn)行固結(jié)灌漿、壩基進(jìn)行帷幕灌漿和新建壩基壩體排水孔等措施對壩體進(jìn)行除險(xiǎn)加固，除險(xiǎn)加固后壩體基底揚(yáng)壓力折減系數(shù)模擬值0.31和回歸分析值0.33均滿足規(guī)范要求之范圍。說明除險(xiǎn)加固措施得當(dāng)、效果明顯，為下一步的除險(xiǎn)加固工程開展提供了理論依據(jù)。

（責(zé)任編輯：劉長垠）

中國分類號：TV 67A

1673-8853（2016）07-0105-02

賈大周（1971－），男，工程師，南陽市水利建筑勘測設(shè)計(jì)院，主要從事規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。

2016-04-21