基于MIDAS GTS的某水利樞紐大壩滲流分析研究

溫青山

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830001)

1 概 述

水利樞紐工程為人類(lèi)生存發(fā)展提供了重要的水利、電力資源，在全球各地逐漸架起一座座水利大壩，支撐著人類(lèi)不停向前發(fā)展進(jìn)步[1]。水利工程中不可忽視的一方面危害即是大壩泄漏，而大壩防滲關(guān)乎著壩體自身滲流穩(wěn)定性，研究大壩滲流穩(wěn)定性被許多學(xué)者或工程師持之以恒攻堅(jiān)克難，主要基于水力學(xué)理論模型、河流變遷歷史水文資料分析、各類(lèi)模擬系統(tǒng)軟件等[2-7]。其中，模擬軟件應(yīng)用越來(lái)越廣泛，有水質(zhì)變化模擬軟件、河流水質(zhì)運(yùn)移模擬軟件、岸坡穩(wěn)定性模擬軟件、滲流模擬軟件等[8-11]?；跀?shù)值模型開(kāi)發(fā)建立，引入基礎(chǔ)理論，計(jì)算分析出水利工程滲流穩(wěn)定性特征參數(shù)，反映滲流活躍度，評(píng)價(jià)水利大壩滲流穩(wěn)定性，是當(dāng)前水利工程中滲流穩(wěn)定性分析的重要基礎(chǔ)步驟。本文基于實(shí)際工程案例，建立數(shù)值模型，分析該工程滲流特征參數(shù)，為滲流穩(wěn)定性分析提供重要參考。

2 滲流分析理論

滲流運(yùn)動(dòng)指流體在巖土層內(nèi)發(fā)生的壓力或能量交換，但由于運(yùn)動(dòng)不可避免會(huì)因巖土層阻力影響，滲流運(yùn)動(dòng)并不處于理想狀態(tài)[12-15]。為了研究這種特殊運(yùn)動(dòng)，常常通過(guò)建立滲流模型，反映流體在運(yùn)動(dòng)場(chǎng)中的物質(zhì)交換過(guò)程。其中達(dá)西定律作為滲流分析理論的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)規(guī)律，得到水力坡降與滲流速度之間的關(guān)系，如下式：

(1)

式中：v為流速；K為滲透系數(shù)；Δh為水頭差；l為滲流路徑；J為水力坡降。

將達(dá)西定律用微分方程表述，可為：

(2)

根據(jù)達(dá)西定律微分表達(dá)式，可知飽和土體中滲流方程為：

(3)

當(dāng)流體處于穩(wěn)定流態(tài)時(shí)，獲得穩(wěn)定滲流方程為：

(4)

當(dāng)流體運(yùn)動(dòng)處于非飽和土體中，滲流主要發(fā)生在土體空隙中，滲流速度及壓力與孔隙率有關(guān)，且滲透系數(shù)處于可變狀態(tài)，此時(shí)的非穩(wěn)定滲流方程為：

(5)

基于微分方程求解，聯(lián)合給定的邊界條件值，獲得流體滲流場(chǎng)解集。通常情況來(lái)說(shuō)，初值條件包括兩類(lèi)，一類(lèi)是定水頭條件：定水頭條件指在已知研究區(qū)域內(nèi)流場(chǎng)各點(diǎn)水頭始終處于開(kāi)放條件；另一類(lèi)是定流量條件：指已知研究區(qū)域內(nèi)滲流場(chǎng)中各點(diǎn)單位截面積中流量值處于開(kāi)放。對(duì)于定水頭條件，可描述為：

h(x,y,z,t)|s1=λ1(x,y,z,t),(x,y,z)∈S1

(6)

式中：h(x,y,z,t)為某空間三維區(qū)域內(nèi)某點(diǎn)t時(shí)刻的水頭值。

而對(duì)于定流量條件，可描述為：

(7)

式中：n為法向量；Q1為某區(qū)域內(nèi)流量函數(shù)；S2為截面積內(nèi)流量補(bǔ)給量。

3 工程概況

某水利樞紐為西南某重要中心城市調(diào)度水資源，包括超4 000 km2的集水面積，修筑有混凝土堆石壩，壩頂高程120 m，正常蓄水位124.5 m，庫(kù)容5 000×104m3，不僅僅為工農(nóng)業(yè)提供必備水資源，同時(shí)也灌溉附近農(nóng)田及水力發(fā)電。壩址區(qū)域主要為沖積平原，兩岸分布有沖溝等地質(zhì)構(gòu)造，壩址所在河谷地區(qū)平均海拔為1 200 m，部分巖層為不整合接觸。壩址區(qū)修建后效果圖見(jiàn)圖1。

圖1 壩址效果圖

根據(jù)地質(zhì)勘察資料表明，壩址基巖主要為半風(fēng)化砂巖、灰?guī)r等，部分地段在鉆孔勘測(cè)中呈現(xiàn)明顯夾層節(jié)理，夾層中主要為松散型泥巖，表面裂隙發(fā)育較多，局部含有斷裂破碎帶，基巖滲透系數(shù)較佳。由現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)可知，巖層透水率最大可達(dá)24 Lu。左右兩岸的第四系覆蓋層厚度均超過(guò)12.5 m，受風(fēng)力搬運(yùn)或河流搬運(yùn)作用，巖土層表面較光滑，巖性主要為鵝卵石、砂石等，部分覆蓋層含有西南地區(qū)典型的溶洞、漏斗等巖溶現(xiàn)象，屬于劉寧鎮(zhèn)組與仙關(guān)組之間巖性。壩址基巖中孔隙水壓力較大，儲(chǔ)存在基巖裂隙中，區(qū)段內(nèi)地下水埋深最深達(dá)95 m，而河床中最高水位為85 m，表明地下水向著河床水位運(yùn)動(dòng)，區(qū)段內(nèi)巖層透水系數(shù)6.5～11.5×10-3cm/s。根據(jù)地下水位同一地址區(qū)段內(nèi)高程數(shù)值可知，當(dāng)?shù)匦纹露仍龃?，地下水位埋深有所增大，水位高程增長(zhǎng)。圖2為基于地勘鉆孔資料，采用GMS制作形成的壩址區(qū)段內(nèi)地層云圖。

圖2 壩址區(qū)段內(nèi)地層云圖

為了及時(shí)了解該水利樞紐大壩滲漏情況，本文將首先分析影響該水利大壩滲漏性的地質(zhì)因素。

1) 斷裂構(gòu)造：由于在壩區(qū)內(nèi)含有南北走向斷裂構(gòu)造，并延伸至右側(cè)岸坡，延伸水平距離超過(guò)500 m，流露破碎帶寬40 cm，巖層膠結(jié)度較高，產(chǎn)狀較紊亂。

2) 裂隙發(fā)育：雖然及時(shí)進(jìn)行清基處理，但壩址區(qū)仍然發(fā)育有較多裂隙，平均長(zhǎng)度超過(guò)7 m，部分裂隙內(nèi)夾有破碎巖土層，主要為碳酸鹽類(lèi)礦物。

3) 軟弱夾層：區(qū)段內(nèi)夾層現(xiàn)象較顯著，其中軟弱夾層超過(guò)80處，局部厚度達(dá)15 cm，且伴隨著地下水位高程變化，軟弱夾層中巖性親水性能也逐漸由弱變強(qiáng)。

4) 層間破碎帶：受地質(zhì)構(gòu)造影響，部分巖層會(huì)發(fā)生拉伸彎曲變形，導(dǎo)致巖層間連接出現(xiàn)擠壓破碎，區(qū)段內(nèi)此種現(xiàn)象主要集中在左右兩壩肩過(guò)渡至壩址區(qū)內(nèi)，破碎帶內(nèi)含有較多裂隙巖層，這對(duì)大壩滲漏防護(hù)性是一定威脅。

為此，本文將對(duì)大壩在左右兩岸坡及趾板區(qū)域滲流場(chǎng)開(kāi)展模擬分析研究，以期加強(qiáng)對(duì)大壩滲漏防護(hù)監(jiān)控。

4 大壩滲流模擬分析

本工程中大壩滲流場(chǎng)模擬分析主要針對(duì)三維模型，利用MIDAS GTS有限元軟件建立起數(shù)值模型，見(jiàn)圖3。且各部分結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)均采用工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，劃分模型單元網(wǎng)格，得到6 025 836個(gè)六面體單元網(wǎng)格，112 642個(gè)節(jié)點(diǎn)，以3種工況開(kāi)展?jié)B流場(chǎng)計(jì)算分析，工況水位參數(shù)見(jiàn)表1。

圖3 數(shù)值模型

表1 工況水位參數(shù)

4.1 校核水位

4.1.1 總水頭與滲流速度

圖4為校核水位工況下壩體總水頭與滲流速度計(jì)算云圖。從圖4中可看出，最大水頭為117.2 m，位于壩體上游正面迎水面板區(qū)域，下游水頭較低，僅為31 m；從整體分布趨勢(shì)來(lái)看，水頭隨上游至下游逐漸降低，降低幅度最大73.6%。表明水流經(jīng)壩體后，水頭降低顯著，大壩能有效控制水頭變化趨勢(shì)，即壩體自身防滲系統(tǒng)穩(wěn)固，從面板止水墻、帷幕防滲墻等措施，有效防止壩體滲漏。從壩體滲流速度云圖可看出，最大流速為3.94×10-2m/hr，集中于下游壩址部位，占比僅有0.1%，且相比大壩流沙管涌臨界速度，此最大流速較低，表明校核水位下壩體內(nèi)部滲流場(chǎng)活躍度較平靜，處于安全運(yùn)行。

圖4 壩體總水頭與滲流速度計(jì)算云圖(校核水位)

4.1.2 滲流路徑與浸潤(rùn)面

圖5為壩體滲流路徑圖。從滲流路徑圖可知，壩體滲流趨勢(shì)及目標(biāo)方向，根據(jù)校核水位下滲流路徑圖可看出，從上游壩身繞過(guò)面板防滲墻，進(jìn)入下游壩體，逐漸往壩肩方向靠近，在壩肩方向與帷幕灌漿防滲墻相隔一定距離，慢慢靠近壩體趾板區(qū)域，但由于大壩趾板處設(shè)置有防滲薄膜，水流又減小了一定量級(jí)后進(jìn)入大壩下游。滲流流經(jīng)區(qū)域水頭均在68.1 m以下，部分流經(jīng)地段水頭為38.1 m，校核水位下滲流路徑受到防滲墻影響顯著。

圖5 滲流路徑圖(校核水位)

依據(jù)浸潤(rùn)面云圖(圖6)可看出，校核水位下壩體浸潤(rùn)面幾乎均與壩基方向一致，與左右兩岸坡相對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，浸潤(rùn)面與邊坡夾角較大，均超過(guò)90°，表明浸潤(rùn)面利于兩岸岸坡穩(wěn)定性提升，且壩體內(nèi)填土層處于非飽和狀態(tài)，土體穩(wěn)定性利于控制。

圖6 浸潤(rùn)面圖(校核水位)

4.1.3 孔隙水壓力與泄漏量

圖7為壩體孔隙水壓力計(jì)算云圖。壩址區(qū)內(nèi)孔隙水壓力從壩基至壩頂呈逐漸降低態(tài)勢(shì)，最大孔隙水壓力達(dá)1.92 MPa，位于壩基處，主要是由于壩基巖土層孔隙水壓力運(yùn)動(dòng)造成的。而在壩身區(qū)域內(nèi)，孔隙水壓力為-0.1～1.16 MPa，其中負(fù)孔隙水壓力出現(xiàn)于兩側(cè)岸坡與壩體接觸區(qū)域，表明岸坡穩(wěn)定性較高。校核水位工況下，計(jì)算獲得壩體泄漏量為1.2×10-4m3/hr，其中以右岸坡壩肩防滲墻處泄漏量最低，僅有4.1×10-6m3/hr，最大滲漏量出現(xiàn)在壩身面板處，占總泄漏量78%。而壩身面板不論是其水頭值亦或是孔隙水壓力值，均處于較低水平，表明壩身整體在校核水位工況下防滲性能較佳。

圖7 孔隙水壓力計(jì)算云圖(校核水位)

4.2 正常蓄水位

4.2.1 總水頭與滲流速度

正常蓄水位工況下，從上游至下游，從壩基至壩頂區(qū)域，水頭值逐漸降低。上游水頭從最大113 m降低至下游最小僅有3 m，此需歸功于壩體自身防滲系統(tǒng)將上游較大水頭“過(guò)濾”了近98%，在下游至較低水平，保護(hù)水庫(kù)處于正常蓄水位時(shí)，大壩能安全穩(wěn)定運(yùn)行。滲流速度最大值相比校核水位下提高了148.5%，但滲流速度相比降低了30.5%。從滲透破壞流速影響范圍來(lái)看，正常蓄水位下壩體流速值并不會(huì)威脅大壩安全運(yùn)營(yíng)。見(jiàn)圖8。

圖8 壩體總水頭與滲流速度計(jì)算云圖(正常蓄水位)

4.2.2 滲流路徑與浸潤(rùn)面

從滲流路徑來(lái)看，與校核水位下類(lèi)似，不論是壩肩處，亦或是面板區(qū)域，或是壩址防滲墻處，滲流路徑均未穿越，而是繞開(kāi)運(yùn)動(dòng)，表明大壩防滲系統(tǒng)在正常蓄水位下處于正常運(yùn)營(yíng)保障狀態(tài)，兩岸岸坡滲流運(yùn)動(dòng)較平靜。見(jiàn)圖9。

圖9 滲流路徑圖(正常蓄水位)

從浸潤(rùn)面圖(圖10)可看出，上下游浸潤(rùn)線近乎互相平行，與壩基方向一致，與兩岸坡角夾角較大，降低了岸坡傾覆可能性；從兩岸坡與壩體整體浸潤(rùn)面可看出，浸潤(rùn)線指示傾角較低，最大僅有18°，表明大壩抗滑移與抗懸浮性能較好，亦有助于壩體防滲。

4.2.3 孔隙水壓力與泄漏量

從孔隙水壓力分布圖(圖11)可知，最大孔隙水壓力與校核水位工況下基本一致，達(dá)1.94 MPa， 上游至下游孔隙水壓力逐漸降低，且局部區(qū)域出現(xiàn)負(fù)孔隙水壓力，對(duì)大壩岸坡穩(wěn)定性具有較大提升。相比校核水位工況下，正常蓄水位下總滲漏量降低了79.5%。達(dá)2.45×10-5m3/hr，滲漏量分布較大區(qū)域集中在繞左岸坡防滲墻區(qū)域，占比超過(guò)61.2%，最小滲漏量?jī)H為1.05×10-6m3/hr，相比校核水位下亦有所降低，表明正常蓄水位下大壩滲透破壞風(fēng)險(xiǎn)性較低。

圖10 浸潤(rùn)面圖(正常蓄水位)

圖11 孔隙水壓力計(jì)算云圖(正常蓄水位)

4.3 死蓄水位

4.3.1 總水頭與滲流速度

相比前兩種工況，死蓄水位上下游水位較低，總水頭最大值亦較小，演變趨勢(shì)亦是從上游至下游逐漸降低，下游剩余水頭僅有0.2%，水頭值為3 m。死蓄水位條件下，壩肩及岸坡總水頭值為3.5～8.4 m，占比過(guò)50%，防滲系統(tǒng)對(duì)總水頭削減效應(yīng)顯著，表明死蓄水位下防滲系統(tǒng)處于安全運(yùn)營(yíng)。另一方面，滲流速度最小值僅有4.9×10-10m/hr，相比前兩種工況分別降低了94%和91.1%，最大滲流速度為7.72×10-2m/hr，與校核水位下處于同一量級(jí)，亦不會(huì)發(fā)生大壩滲透破壞現(xiàn)象。見(jiàn)圖12。

4.3.2 滲流路徑與浸潤(rùn)面

滲流路徑與前兩工況一致性，均沒(méi)有產(chǎn)生面板或防滲墻的滲流穿越，繞過(guò)壩肩與面板防滲墻，滲流路加長(zhǎng)，水力坡降降低，降低大壩傾覆威脅性。浸潤(rùn)面云圖顯示浸潤(rùn)線與壩基平行，兩岸坡與浸潤(rùn)面夾角較大，大壩穩(wěn)定性較高。見(jiàn)圖13-圖14。

圖12 壩體總水頭與滲流速度計(jì)算云圖(死蓄水位)

圖13 滲流路徑圖(死蓄水位)

圖14 浸潤(rùn)面圖(死蓄水位)

4.3.3 孔隙水壓力與泄漏量

死蓄水位工況下最大孔隙水壓力為1.8 MPa，相比前兩種工況，壩頂兩岸坡區(qū)域仍然是最低孔隙水壓力，孔隙水壓力從壩基至壩頂仍然為逐漸降低的趨勢(shì)，表明壩體防滲性能較佳?？傂孤┝繛?.03×10-4m3/hr，相比前兩種工況，總泄漏量分別為前者的4.3倍和83.3%；與正常蓄水位工況下類(lèi)似，占比最高泄漏量存在于左岸坡面墻區(qū)域，占比超過(guò)92.2%。從總泄漏量值及分布來(lái)看，壩體防滲系統(tǒng)較好控制了整體滲漏水平。見(jiàn)圖15。

圖15 孔隙水壓力計(jì)算云圖(死蓄水位)

5 結(jié) 論

針對(duì)某水利樞紐大壩不同工況下滲流場(chǎng)特征，利用MIDAS GTS有限元軟件建立數(shù)值模型，分析了校核水位、正常蓄水位、死蓄水位3種工況下滲流穩(wěn)定性，結(jié)論如下：

1) 3種工況下壩體總水頭分布均隨上游至下游逐漸降低，最大降低幅度分別為73.6%、98%和98.2%；3種工況下最大滲流速度分別為3.94×10-2、9.79×10-2和7.72×10-2m/hr，滲流速度范圍均在滲透破壞安全滲流速度內(nèi)。

2) 3種工況下壩體滲流路徑均會(huì)繞過(guò)面板防滲墻、壩址或壩肩防滲膜等防滲系統(tǒng)；浸潤(rùn)面角度與壩基平行一致，最大僅有18°～25°，兩岸岸坡與浸潤(rùn)面夾角較大，大壩穩(wěn)定性較高。

3) 3種工況下最大孔隙水壓力分別為1.92、1.94和1.8 MPa，且從壩基至壩頂均為逐漸降低態(tài)勢(shì)；壩體總泄漏量分別為1.2×10-4、2.45×10-5和1.03×10-4m3/hr，最大滲漏量分別出現(xiàn)在壩身面板、左岸坡防滲墻，滲漏量值均低于大壩滲透破壞臨界值。