基于ANSYS的達(dá)坂某水庫大壩滲流穩(wěn)定分析研究

李宏偉

(烏魯木齊市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院(有限責(zé)任公司)，新疆 烏魯木齊 830001)

經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展離不開水資源供給，而水庫作為區(qū)域調(diào)配水資源的重大水利樞紐工程，常常投入較大的人力與成本，但不可避免我國各地區(qū)存在較多運(yùn)營周期長、設(shè)計(jì)指標(biāo)陳舊、施工標(biāo)準(zhǔn)不達(dá)標(biāo)的水庫樞紐工程，其中水庫大壩作為承擔(dān)水庫安全穩(wěn)定的重要水工結(jié)構(gòu)，需要對(duì)這些病險(xiǎn)水庫大壩開展除險(xiǎn)加固，防范大壩滲透破壞隱患[1]。已有較多學(xué)者針對(duì)水庫大壩安全設(shè)計(jì)開展過相關(guān)研究，主要利用室內(nèi)模型試驗(yàn)、數(shù)值建模分析、理論反演推導(dǎo)等方法[2-4]，由滲流理論延伸至數(shù)值建模計(jì)算是一種簡單而有效的分析方法，以實(shí)際工程資料為建模背景，分析壩體滲流特性，進(jìn)而評(píng)價(jià)大壩安全穩(wěn)定性[5]，幫助了解大壩安全運(yùn)營周期區(qū)間狀態(tài)，提升對(duì)水庫大壩等水利工程的安全監(jiān)測(cè)水平。

1 工程概況

某水庫位于達(dá)坂地區(qū)，承擔(dān)著達(dá)坂地區(qū)農(nóng)田灌溉、防洪調(diào)度及附近部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)用水，總庫容超過1000萬m3，由于最近幾十年代沙漠化治理，水庫周邊森林覆蓋率較高，岸坡水土保持良好。水庫壩頂設(shè)計(jì)高程達(dá)205.3 m，長度達(dá)145.0 m，壩頂寬7.8 m，根據(jù)實(shí)測(cè)資料表明，該大壩迎水側(cè)與背水測(cè)坡度均為1∶2.5，在壩身設(shè)計(jì)有1.7 m寬平臺(tái)，處于壩頂下方21.5 m處，壩基周邊碎石土較少，清基工作正常開展。依據(jù)地質(zhì)勘察資料表明，該壩址所處基巖為花崗巖，中粗粒結(jié)構(gòu)，巖石完整性較好，在壩基左右兩側(cè)壩肩分布白云巖及砂巖；上覆土層主要為第四系沉積土，主要含有黏土與砂土，厚度達(dá)6.3 m，土層滲透系數(shù)為1.0×10-3cm/s，屬弱透水層，在實(shí)地調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)在壩基的右壩肩，距壩頂高程21.5 m處位置，有明顯的滲流現(xiàn)象。壩址區(qū)域地震活動(dòng)性較少，活躍斷層較少，除可見明顯節(jié)理發(fā)育，并無其他顯著地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育。地下水來源主要為花崗巖風(fēng)化裂隙水及部分潛水，達(dá)坂地區(qū)常年降雨量較少，大氣降水補(bǔ)充地下水匱乏。

該大壩由于建設(shè)時(shí)間久遠(yuǎn)，蓄水周期較長，且建設(shè)過程中由于原材料缺乏及工期緊張?jiān)颍糠謮紊聿牧嫌昧喜粐?yán)謹(jǐn)，如部分壩身土石混合料配比及含水率未達(dá)標(biāo)，造成當(dāng)前該大壩部分區(qū)域出現(xiàn)滲漏問題。另外壩頂面由于設(shè)計(jì)不規(guī)范，路面并未按照一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)施工，造成承受荷載過重，壩頂部分地段發(fā)生較大變形，影響壩坡穩(wěn)定性。為此，水庫管理部門對(duì)大壩開展病險(xiǎn)排查，加固壩坡，在壩身安裝監(jiān)測(cè)傳感器，重新修筑壩頂路面，并考慮設(shè)置防滲墻，確保大壩安全運(yùn)營。

2 水庫壩體滲流場(chǎng)分析

2.1 滲流有限元分析

ANSYS內(nèi)置溫度場(chǎng)分析模塊，其熱容量微分方程符合下式[6]:

(1)

式中:T指熱容量；λx、λy，λz指溫度場(chǎng)在各方向上的傳熱系數(shù)；ρQ指存熱量。

聯(lián)系滲流體積分公式的原微分方程，即可得到多孔介質(zhì)滲流微分方程

(2)

式中：H指水頭；kx,ky,kz指各滲流方向上滲透系數(shù)；βs指單位存水量；t指時(shí)間。

邊界條件參照下式轉(zhuǎn)換：

(3)

式中：H(R,t)指某時(shí)刻測(cè)壓水頭大??；Г指模型邊界長度，φs(R,t)指模型邊界長度上的水頭大?。籯s m指邊界上的滲透系數(shù)；vs(R,t)指模型邊界長度上的流速大小，當(dāng)邊界為不透水層時(shí)，vs=0。

聯(lián)系式(1)、式(2)，并配合邊界條件(式3)，從文獻(xiàn)[7]可知，滲流場(chǎng)模擬計(jì)算參數(shù)可對(duì)比溫度場(chǎng)參數(shù)轉(zhuǎn)換，從而獲得滲流場(chǎng)模擬分析計(jì)算結(jié)果。

2.2 水庫壩體滲流場(chǎng)分析

(1)建模及劃分網(wǎng)格。參照該水庫大壩工程概況，在CAD軟件中建立大壩三維模型，結(jié)合實(shí)測(cè)資料與模型計(jì)算，壩頂高程設(shè)計(jì)205 m，長度145 m，上下游坡度比進(jìn)行變坡處理，三個(gè)坡度比分別為1∶2.75、1∶2.50、1∶2.25，下游坡度比轉(zhuǎn)換成1∶2.00、1∶2.25、1∶2.00，以不同壩身材料作為原材料，獲得大壩三維模型，并導(dǎo)入ANSYS中，獲得ANSYS數(shù)值模型圖(圖1)。

圖1 數(shù)值模型圖

依據(jù)大壩各區(qū)域巖土材料，以8節(jié)點(diǎn)六面體作為網(wǎng)格單元，劃分大壩數(shù)值模型單元體網(wǎng)格，獲得178 854個(gè)單元體，并給出大壩橫斷面網(wǎng)格劃分圖，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分圖

(2)施加邊界條件。施加邊界條件前，筆者假定大壩上下游及基巖層邊界均為不可透水層，所有荷載條件均以水頭值作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，水頭以下為荷載邊界，且荷載是作用在空間面上，以水庫正常蓄水、滿蓄水位、試驗(yàn)水位三種工況下分別計(jì)算大壩滲流場(chǎng)，三種工況下水庫上下游水位如表1所示。圖3為典型工況下施加邊界條件后數(shù)值模型圖。

表1 工況上下游水位

圖3 施加邊界條件后數(shù)值模型圖

(3)滲流計(jì)算結(jié)果分析。圖4為三種工況下大壩滲流場(chǎng)模擬計(jì)算所得到的總水頭、流速、水力坡降云圖。從圖中可看出，在正常蓄水工況下，從上游至下游，水頭逐漸降低，壩頂處總水頭集中較高水平，最大達(dá)到26.55 m；由于上游集中較高水頭，故而在下游處流速較高，集中在壩趾區(qū)域，流速較大，最大可達(dá)0.6626 m/s；壩身整體水力坡降處于較低水平，主要集中在壩址滲流明顯區(qū)域，部分水力坡降最大達(dá)到3.118。同理，在滿蓄水位與試驗(yàn)水位工況下，大壩整體水頭表現(xiàn)與正常蓄水工況下分布基本一致，但滿蓄水位工況下最大總水頭達(dá)27.95 m，正常蓄水工況下水頭已逼近設(shè)計(jì)允許值的95%，正常蓄水工況下最大水力梯度值已達(dá)到設(shè)計(jì)允許值的96.6%，表明壩身滲漏區(qū)域已嚴(yán)重威脅大壩安全穩(wěn)定性。

圖4 大壩滲流場(chǎng)模擬計(jì)算云圖(從左至右依次是總水頭、流速、水力坡降)

根據(jù)滲流場(chǎng)模擬計(jì)算結(jié)果知，正常蓄水工況下滲漏點(diǎn)距離壩頂19.6 m，滲流量2.334 m3/d，在滿蓄水位與試驗(yàn)水位工況下，滲流量分別是前者的1.05、1.07倍。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范[8]要求，大壩水力坡降允許值為

[J]=(δs-1)(1-m)/K

(4)

式中：δs指顆粒比重；m指孔隙率；K指安全系數(shù)，取1.6.

帶入相關(guān)參數(shù)計(jì)算可得到[J]為0.667。由此可見，三種工況下水力坡降最大值分別為3.118、3.283、3.320，均已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過安全允許值，即三種工況條件下，大壩均會(huì)出現(xiàn)滲透破壞，皆不能安全運(yùn)營。

3 水庫大壩防滲墻設(shè)計(jì)后滲流場(chǎng)分析

水庫大壩安全穩(wěn)定與滲漏密不可分，對(duì)該水庫大壩開展防滲處理非常緊急，工程設(shè)計(jì)人員綜合考量，確定以50 cm厚的抗沖刷性混凝土為原材料制作防滲墻，墻基布置在弱透水層面，使之加固大壩滲流穩(wěn)定性。本文對(duì)重新加固防滲后大壩滲流穩(wěn)定性開展分析探討。

(1)建模及前置邊界條件。由于防滲墻存在，大壩壩身部分模型材料需要更換，且材料滲透系數(shù)也會(huì)發(fā)生一定變化，為此加入滲透系數(shù)為4.3×10-4m/d的抗沖刷性混凝土防滲墻材料，組合成數(shù)值分析模型，并按照前文類似劃分出單元體網(wǎng)格，共有182 462個(gè)單元網(wǎng)格，如圖5所示。

(2)防滲墻處理后滲流場(chǎng)模擬分析。圖6為三種工況下防滲墻處理后大壩滲流場(chǎng)模擬結(jié)果圖。從圖中可看出，總水頭在有無防滲墻工況下基本一致，且三種工況均是如此，但是防滲墻的存在導(dǎo)致流速顯著減低，正常蓄水工況下，最大流速減小了44.1%，而壩身整體水力坡降趨于穩(wěn)定，僅有0.28×10-4；有防滲墻滿蓄水位滲流量為0.165 m3/d，相比無防滲墻同等工況下減少了93.3%；三種工況下滲漏點(diǎn)距離壩頂約為34.7～35.2 m，滲漏對(duì)壩頂威脅性大大降低。主要是由于防滲墻作為抗沖刷性混凝土材料，其本質(zhì)上與壩身材料均屬混凝土類別，但主要區(qū)別在于抗沖刷性混凝土滲透系數(shù)較低，處于弱透水性與中等透水性之間，可減緩整個(gè)壩體流速，減少滲漏量。最大水力坡降主要出現(xiàn)在防滲墻，根據(jù)統(tǒng)計(jì)知正常蓄水工況、滿蓄水位、試驗(yàn)水位最大水力坡降分別為13.192、13.887、13.882，而防滲墻水力坡降允許值臨界值為55，故而防滲墻安全。

圖6防滲墻加固后大壩滲流場(chǎng)模擬計(jì)算云圖(從左至右依次是總水頭、流速、水力坡降、橫斷面水力坡降)

4 結(jié) 論

以達(dá)坂地區(qū)某水庫大壩為研究對(duì)象，引入滲流原理與有限元分析數(shù)值解方法，利用ANSYS數(shù)值建模分析平臺(tái)，研究該水庫大壩滲流穩(wěn)定性，獲得了以下幾點(diǎn)結(jié)論與認(rèn)識(shí)：

(1)獲得了該水庫大壩分別在正常蓄水、滿蓄水位、試驗(yàn)水位三種工況下滲流場(chǎng)特征參數(shù)分布，正常蓄水工況下滲流量與流速最大分別達(dá)2.334 m3/d、0.6626 m/s，滲流量最大值分別為滿蓄水位與試驗(yàn)水位工況下的95.2%、92.1%。

(2)獲得了該大壩在三種工況下平均最大水力坡降達(dá)到3.2， 是大壩原材料安全允許臨界值的4.8倍，大壩處于嚴(yán)重滲漏狀態(tài)，安全穩(wěn)定性受到挑戰(zhàn)。

(3)以50 cm厚度抗沖刷性混凝土防滲墻為大壩加固措施，研究獲得了防滲墻的存在顯著降低滲流量與流速，正常蓄水工況下，最大流速減小了44.1%，壩身整體水力坡降趨于穩(wěn)定，僅有0.28×10-4，最大水力坡度集中在防滲墻，但亦僅為安全允許值的24.8%，大壩經(jīng)加固后安全穩(wěn)定。