基于Midas的不同土石壩防滲體系效果分析

彭 昆，馬雅麗

(武漢珞珈山水設(shè)計咨詢有限公司，武漢 430000)

1 概 述

相比于混凝土壩，土石壩壩身不能過水，因此需要有良好的防滲設(shè)施控制滲流。土石壩壩體常用的防滲設(shè)施有心墻和斜心墻，壩基防滲設(shè)施有水平防滲鋪蓋和垂直防滲墻[1-3]，每種防滲體系適用的地質(zhì)條件有較大差別，防滲效果也有一定的差異，很多工程[4-6]在設(shè)計時對防滲墻、劈裂灌漿、斜墻等防滲措施進(jìn)行了方案計算比選，從而確定最優(yōu)的防滲方案。在土石壩滲流計算方法中，有限元數(shù)值模擬能較為準(zhǔn)確直觀地計算土石壩滲流情況[7-8]，工程上針對土石壩防滲墻的參數(shù)對滲流影響情況的數(shù)值模擬研究較多[9-11]，但是針對斜心墻、水平鋪蓋等幾種常用防滲措施的防滲機(jī)理及其防滲效果并沒有作深入比較研究。因此，本文將分別對土石壩常用的心墻+混凝土防滲墻、斜心墻+水平鋪蓋兩種土石壩防滲體系進(jìn)行滲流計算，分析比較每種防滲體系的防滲效果和機(jī)理，以期為類似工程提供參考。

2 有限元滲流計算原理和計算模型

2.1 滲流計算原理

土石壩的滲流遵循達(dá)西定律[12]，達(dá)西定律微分方程見式(1)。

(1)

式中：υx，υy，υz分別為X，Y，Z方向的滲流流速，m/s；kx，ky，kz分別為X，Y，Z方向的滲流系數(shù)，cm/s；h為測壓管水頭，m。

不可壓縮液體的連續(xù)性方程為：

(2)

將式(1)帶入式(2)中，可得穩(wěn)定滲流下的土石壩滲流微分方程：

(3)

假設(shè)土體各項(xiàng)同性，即kx=ky=kz，將式(3)化簡可得：

(4)

土石壩滲流邊界示意圖見圖1。

圖1中，H1為上游穩(wěn)定的正常蓄水位，H2為下游壩坡水位，下游壩坡滲流出漏點(diǎn)高度為y。

圖1 土石壩滲流邊界示意圖

2.2 滲流計算模型

本文采用Midas gts nx 有限元軟件對兩種不同體系的土石壩進(jìn)行滲流分析。壩頂高程為650 m，壩體高度為50 m，正常蓄水位548 m，上游壩坡坡度為1∶1.5，下游壩坡坡度為1∶2.0，為自由滲流面。計算模型長度取值600 m，地基的計算深度取值58 m。其中，覆蓋層厚約20 m，斜心墻頂部寬度為3 m，底部寬度5 m；心墻頂部寬度為3 m，底部寬度8 m，水平鋪蓋端部厚度為2 m，末端厚度為5 m，混凝土防滲墻厚度為2 m，深度為30 m。計算模型剖面圖見圖2、圖3。

圖2 斜心墻+水平鋪蓋防滲體系土石壩剖面圖

圖3 心墻+混凝土防滲墻防滲體系土石壩剖面圖

有限元計算參數(shù)見表1，計算采用的本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb。

表1 有限元計算參數(shù)表

3 有限元計算結(jié)果分析

3.1 滲流壓力水頭分析

圖4為兩種防滲體系下壩體內(nèi)部壓力水頭云圖。從圖4中可知，兩種防滲體系均起到了減小壩體內(nèi)部水頭壓力的作用。其中，斜心墻+水平鋪蓋防滲體系下，壩體在斜心墻兩側(cè)水頭分別為100和74 m，差值約為28 m，約占上游壩體水頭的28%； 心墻+混凝土防滲墻體系下，心墻兩側(cè)水頭分別為92和58 m，差值為34 m，約占上游壩體水頭的37%。

圖4 壩體壓力水頭云圖

3.2 滲徑分析

圖5為不同防滲體系下土石壩滲徑云圖。從圖5中可以看出，斜心墻+水平鋪蓋防滲體系下，土石壩的滲徑在壩體中經(jīng)過斜心墻先上升再急劇下降，在地基中幾乎成水平向下游滲透，滲徑長度較長，而水頭差較小，庫水在下游壩面靠近地基位置處滲出；在心墻+混凝土防滲墻防滲體系下，土石壩滲徑在壩體中經(jīng)過心墻之后，水頭急劇下降，在地基中繞過混凝土防滲墻，說明混凝土防滲墻對阻斷滲徑、減小壩基滲透起到較為明顯的作用。滲徑長度較短，但是水頭差較大，庫水在下游靠近壩面的基地表面滲出。

圖5 不同防滲體系下土石壩滲徑

3.3 浸潤線分析

圖6為兩種防滲體系下土石壩的浸潤線。從圖6中可知，浸潤線在經(jīng)過心墻和斜心墻后急劇下降，斜心墻由于位置靠近壩體上游，因此整個壩體浸潤線較低；而心墻土石壩由于心墻位置在壩體中部，因此浸潤線較高的壩段較長。由此可知，斜心墻對于降低整個壩體的浸潤線效果更加顯著。

圖6 不同防滲體系下土石壩浸潤線

3.4 滲流量分析

表2為兩種不同防滲體系下土石壩單寬滲流量統(tǒng)計表。從表2中可知，由于壩體中有防滲體存在，兩種防滲體系下壩體中的滲流量均小于地基中的滲流量。由于心墻+防滲墻防滲體系能夠有效阻斷滲徑，而壩體上游的水平鋪蓋只能起到延長滲徑的作用，因此其壩體和地基滲流量均要小于斜心墻+水平鋪蓋防滲體系下壩體和地基的滲流量。

表2 土石壩單寬滲流量統(tǒng)計表

4 結(jié) 論

通過Midas gts nx有限元軟件對兩種防滲體系進(jìn)行了滲流模擬計算，比較兩種防滲體系的防滲效果和防滲機(jī)理，主要結(jié)論如下：

1) 心墻+混凝土防滲墻體系相比斜心墻+水平鋪蓋更能有效阻斷滲徑，而斜心墻+水平鋪蓋防滲體系比心墻+混凝土防滲體系的滲徑更長，但是滲徑上的水頭差更小。

2) 斜心墻在土石壩壩體中的位置更加靠前，因此較心墻土石壩而言其更能有效降低整個壩體浸潤線高度。

3) 兩種防滲體系下，壩體的單寬滲流量均大于地基中的滲流量，而心墻+混凝土防滲墻防滲體系下壩體和地基中的滲流量更小，防滲效果更好。