復(fù)合土工膜防滲土石壩滲流仿真分析

劉炳明，張慶波，王海青

（1.連云港市贛榆區(qū)城頭鎮(zhèn)水利管理服務(wù)站，江蘇 連云港 222100；2.連云港市贛榆區(qū)水利局，江蘇 連云港 222100；3.連云港市贛榆區(qū)機(jī)電排灌管理站，江蘇 連云港222100）

復(fù)合土工膜滲透系數(shù)很小，具有防滲效果好、價(jià)格低廉、施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，但受人為及環(huán)境影響，土工膜施工過程中會(huì)產(chǎn)生破損，形成微孔，致使?jié)B透系數(shù)變大，滲透機(jī)理發(fā)生改變。基于上述背景，本文研究應(yīng)用復(fù)合土工膜防滲土石壩的滲透機(jī)理，借助有限元軟件，計(jì)算并評(píng)價(jià)某土石壩中采用土工膜防滲效果，得出了與實(shí)際工程的相關(guān)結(jié)論。

1 工程概況

某土石壩處于黃河干流上，大壩頂高程139.0m，最大壩高20.2m，壩頂寬度8.0m，正常高水位134.0m，下游無水時(shí)高程119.7m。為取得良好的防滲效果，大壩鋪設(shè)復(fù)合土工膜，其面積多達(dá)16萬m2。

2 土石壩有限元仿真分析

2.1 模型建立

選取大壩河槽段斷面開展分析，其河槽段設(shè)計(jì)斷面為：壩體與截流圍堰結(jié)合，建基在河槽砂礫石地基上。上游壩坡1∶2.75，采用復(fù)合土工膜斜墻防滲，復(fù)合土工膜下設(shè)0.15m厚中細(xì)砂墊層，上鋪0.20m厚礫石保護(hù)層，外設(shè)0.30m厚預(yù)制混凝土塊護(hù)坡。下游壩坡在127.20m高程設(shè)3.50m寬的馬道，馬道以上壩坡為1∶2.25，馬道以下壩坡1∶2.50，設(shè)置貼坡排水，其混凝土防滲墻與復(fù)合土工膜斜墻連接，形成封閉的防滲體系。混凝土防滲墻厚0.60m，墻底嵌入基巖1.50m。

根據(jù)斷面建立有限元模型，復(fù)合土工膜防滲土石壩滲流仿真分析流程如圖1。

圖1 流程

具體步驟如下：

（1）步驟1：CAD建模。建立復(fù)合土工膜防滲土石壩CAD模型，另存為dxf格式文件，將文件導(dǎo)入有限元軟件。建模時(shí)，為便于在有限元軟件中施加荷載，復(fù)合土工膜防滲土石壩壩體高程需選用Y坐標(biāo)。

（2）步驟2：建立幾何面。導(dǎo)入的模型后，為便于實(shí)現(xiàn)從X，Y平面到Y(jié)，Z平面的轉(zhuǎn)換，需通過導(dǎo)入的點(diǎn)來建立幾何面。

（3）步驟3：模型建立好后，材料賦值、施加荷載、處理邊界條件等。滲流計(jì)算中將所需荷載施加于壩體，忽略了壩體與壩基間的相互作用，將壩體和壩基的接觸面設(shè)為三向約束。

（4）步驟4：網(wǎng)格剖分。此步驟所得有限元網(wǎng)格對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果分析的準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性起決定作用。計(jì)算時(shí)需考慮兩方面因素。一方面，要考慮網(wǎng)格的單元形狀、中間節(jié)點(diǎn)的位置、單元大小等。另一方面，需考慮網(wǎng)格剖分密度，若網(wǎng)格剖分過大，則可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確；若網(wǎng)格剖分過小，則可能計(jì)算時(shí)間過長，甚至可能導(dǎo)致計(jì)算機(jī)無法運(yùn)行。復(fù)合土工膜防滲土石壩三維模型網(wǎng)格采用六面體及四面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，共剖分了7281個(gè)單元，8247個(gè)結(jié)點(diǎn)，模型網(wǎng)格剖分如圖2。

圖2 土石壩三維模型網(wǎng)格剖分

（5）步驟5：求解計(jì)算。

（6）步驟6：計(jì)算結(jié)果分析。

2.2 模型相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)取值

模型尺寸依照河槽段大壩剖面圖建立，選取上游水位134m，下游水位120m。復(fù)合土工膜防滲土石壩材料滲透系數(shù)的取值及允許坡降如表1。

表1 土石壩滲流計(jì)算參數(shù)

其中，對(duì)于復(fù)合土工膜的滲透系數(shù)的取值，按照擬合的新數(shù)學(xué)模型計(jì)算，其滲透系數(shù)：

2.3 仿真計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，得到了復(fù)合土工膜防滲土石壩的總水頭云圖、總水頭等值線圖、壓力水頭云圖、壓力水頭等值線圖及自由液面（浸潤面），如圖3～圖8。

圖3 土石壩總水頭

圖4 土石壩總水頭等值線

圖5 土石壩壓力水頭

圖6 土石壩壓力水頭等值線

圖7 土石壩壓力

圖8 土石壩自由液面（浸潤面）

由計(jì)算可得：復(fù)合土工膜防滲土石壩壩體滲流量9.46×10-7m3/s·m， 壩基滲流量1.71×10-4m3/s·m，滲流出口比降0.1224，允許比降0.10～0.20。復(fù)合土工膜防滲土石壩壩體基本處于非飽和狀態(tài)，浸潤線沿著土工膜快速下降，基本沿著地基河床分布。壩體壩基滲流總量較小，滲流出口的滲透比降滿足要求。

此外，基于浸潤線大致位置，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，各滲壓計(jì)的量測(cè)數(shù)值均大幅低于上游水位，進(jìn)一步驗(yàn)證了復(fù)合土工膜防滲土石壩滲流仿真結(jié)果。說明采用復(fù)合土工膜防滲的大壩的滲透性能良好。

3 結(jié)語

（1）依托某復(fù)合土工膜斜墻土石壩工程，借助有限元分析軟件，結(jié)合擬合公式確定土工膜當(dāng)量滲流系數(shù)取值，開展了復(fù)合土工膜防滲土石壩仿真計(jì)算分析。計(jì)算發(fā)現(xiàn)復(fù)合土工膜具有良好的防滲效果，提高了水庫蓄水能力及土石壩的穩(wěn)定性和安全度。

（2）進(jìn)一步開展復(fù)合土工膜滲漏量試驗(yàn)研究，探研復(fù)合土工膜缺陷滲漏量與相關(guān)影響因子關(guān)系，對(duì)比復(fù)合土工膜防滲土石壩滲流仿真分析結(jié)果，建立健全復(fù)合土工膜滲透機(jī)理。