基于AutoBank 的黃材水庫大壩滲流穩(wěn)定分析

馬 奪，張瑞剛

（1. 湖南中天水利水電勘察設(shè)計(jì)有限公司，湖南 長沙 410004；2. 水利部長江水利委員會(huì)河湖保護(hù)與建設(shè)運(yùn)行安全中心，湖北 武漢 430010）

滲流計(jì)算是水工設(shè)計(jì)的重要組成部分，通過分析計(jì)算得到的滲流參數(shù)及滲透坡降，可以判斷水工結(jié)構(gòu)的滲流穩(wěn)定情況，并進(jìn)一步采取防滲排水措施，有利于水工結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定。滲流理論較早于19 世紀(jì)中期，由法國學(xué)者Darcy 提出，其通過試驗(yàn)揭示了飽和土體中水的滲流速度和坡降呈線性關(guān)系[1]。其后Zienkiewicz O C、Hnang T K.等學(xué)者運(yùn)用了復(fù)變函數(shù)及有限元法，將滲流理論研究進(jìn)一步推動(dòng)[2～3]。

20 世紀(jì)以來，計(jì)算機(jī)為數(shù)值計(jì)算的發(fā)展提供了支撐，有限元法在滲流分析中得到了較好的應(yīng)用。例如張寅寅以某水庫均質(zhì)土壩為研究對(duì)象，采用有限元仿真法，進(jìn)行了滲流及壩坡穩(wěn)定性計(jì)算[4]；尹鵬博運(yùn)用了ADINA 有限元軟件對(duì)某重力壩進(jìn)行滲流分析，并對(duì)計(jì)算結(jié)果可靠性進(jìn)行了分析[5]。馬洪圖基于ANSYS 有限元平臺(tái)，對(duì)不同工況下的土石壩穩(wěn)定性及滲流特性進(jìn)行分析，并驗(yàn)證了計(jì)算方法的可行性[6]。然而，ADINA、ANSYS 等有限元軟件存在著建模復(fù)雜，通用商業(yè)軟件解決專業(yè)問題針對(duì)性不強(qiáng)的缺點(diǎn)。AutoBank 是河海大學(xué)工程力學(xué)系研制的用于分析堤防、土石壩、尾礦壩、水閘等擋水建筑物引起的穩(wěn)定、非穩(wěn)定飽和滲流場(chǎng)問題的專業(yè)軟件，采用有限元方法求解二維滲流控制方程（Laplace 方程），并能較好地解決各向同性、各向異性、多層地基和復(fù)雜斷面情況下的滲流場(chǎng)分析問題。

下面以黃材水庫為例，基于AutoBank 有限元軟件，建立大壩模型，將大壩計(jì)算斷面進(jìn)行分區(qū)，并考慮不同工況，開展?jié)B流穩(wěn)定計(jì)算。將計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)狀實(shí)際情況進(jìn)行比較，為水利工程相關(guān)滲流設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

黃材水庫位于湘水一級(jí)支流溈水上游，竹山坳副壩壩址位于寧鄉(xiāng)縣黃材鎮(zhèn)以西的鐵山里，下距寧鄉(xiāng)縣城52.5 km。水庫控制流域面積240.8 km2，多年平均降雨量1 429.3 mm，多年平均徑流量1.83 億m3，水庫總庫容1.45 億m3；正常水位166.00 m，相應(yīng)庫容1.26 億m3，庫容系數(shù)0.68，為多年調(diào)節(jié)水庫。

竹山坳副壩壩頂高程170.50 m，防浪墻頂高程171.07 m，壩頂軸線長142.50 m，最大壩高22.30 m?，F(xiàn)場(chǎng)檢查，庫水位153.01 m?，F(xiàn)狀上游坡面干砌石護(hù)坡石料質(zhì)地堅(jiān)硬，質(zhì)量良好；下游壩坡未檢測(cè)到塌陷、滲漏情況；坡腳排水體石料風(fēng)化，質(zhì)量較差。排水溝無滲水，未發(fā)現(xiàn)壩基滲漏問題。

2 滲流分析

2.1 斷面選取

根據(jù)地質(zhì)勘探工作、室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)、大壩建設(shè)和運(yùn)行情況，壩體滲流計(jì)算分析選擇大壩最大橫斷面，做二維有限元滲流計(jì)算分析，滲流計(jì)算斷面見圖1。

圖1 大壩計(jì)算斷面滲透分區(qū)圖

2.2 滲透分區(qū)及指標(biāo)的確定

本次計(jì)算分析斷面的滲透分區(qū)是根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)的結(jié)果，按照現(xiàn)場(chǎng)所取原狀土樣的室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)和鉆孔柱狀圖，綜合大壩建設(shè)和運(yùn)行管理情況，并參照其他工程的經(jīng)驗(yàn)，將大壩滲流計(jì)算斷面分成9 個(gè)滲透分區(qū)，滲透分區(qū)見圖1，滲透分區(qū)材料的水平、垂直滲透系數(shù)見表1。

表1 大壩滲流計(jì)算斷面的滲透指標(biāo) cm/s

2.3 滲流計(jì)算工況的選擇

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL 274-2001 第8.1.2 條規(guī)定[7]：滲流計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮水庫運(yùn)行中的不利條件。庫水位降落時(shí)，考慮時(shí)段內(nèi)無降雨，發(fā)電隧洞、灌溉隧洞等泄水建筑物按最大引用流量運(yùn)行的庫水位快速降落情況。

本次滲流計(jì)算分析按以下工況進(jìn)行：

1）上游正常蓄水位166.00 m 與下游相應(yīng)的最低水位151.02 m。

2）上游設(shè)計(jì)洪水位167.97 m 與下游相應(yīng)水位151.02 m。

3）上游校核洪水位168.50 m 與下游相應(yīng)水位151.02 m。

4）庫水位降落（工況1）：根據(jù)庫水位-庫容曲線，只灌溉隧洞參加泄流，單一流量按17.5 m3/s 的下泄流量從166.0 m 降至上游壩腳151.0 m，根據(jù)水庫運(yùn)行情況，確定大壩分三個(gè)時(shí)段進(jìn)行穩(wěn)定滲流計(jì)算。各時(shí)段的上、下游值及相應(yīng)的時(shí)間間隔見表2。

5）庫水位降落（工況2）：在正常運(yùn)行時(shí)期，壩體出現(xiàn)意外情況需快速放空水庫，首先溢洪道參加泄洪，泄洪閘全開，從166.0 m降至溢洪道堰頂高程157.0 m，而后發(fā)電隧洞、泄洪隧洞參加泄流。根據(jù)庫水位快速降落曲線，確定大壩分3 個(gè)時(shí)段進(jìn)行非穩(wěn)定滲流計(jì)算，各時(shí)段的上、下游水位值及相應(yīng)的時(shí)間間隔見表3。

表2 水位降落（工況1）計(jì)算時(shí)段及水位成果表

表3 水位降落（工況2）計(jì)算時(shí)段及水位成果表

6）庫水位降落（工況3）：在非常運(yùn)行時(shí)期，庫水位從校核水位168.50 m 降至正常水位166.0 m。

2.4 滲流計(jì)算及分析

運(yùn)行AutoBank 求解滲流場(chǎng)。計(jì)算滲流量并繪制得到浸潤線，大壩滲流計(jì)算結(jié)果見表4 及圖2～圖7。

從各工況滲流計(jì)算成果表可以看出，計(jì)算斷面浸潤線較低，逸出點(diǎn)在下游褥墊排水處，計(jì)算斷面滲流流態(tài)較安全?，F(xiàn)狀大壩下游坡運(yùn)行情況較好，未發(fā)現(xiàn)散浸現(xiàn)象。說明計(jì)算與實(shí)際情況基本相符，壩體計(jì)算斷面處滲流無安全隱患。

計(jì)算斷面逸出點(diǎn)比降為0.002～0.267，心墻處比降為0.008～1.06，壩基接觸面比降為0.007～0.267。根據(jù)有關(guān)資料和類似工程，防滲土料的破壞坡降5～10,壩體逸出點(diǎn)允許比降值0.35～0.40，壩基接觸面允許比降值0.35～0.50，以上各值均在允許范圍內(nèi)，可見現(xiàn)狀壩體基本滿足滲透穩(wěn)定要求。

表4 大壩計(jì)算斷面各工況滲流計(jì)算成果表

圖2 大壩正常水位（166.0 m）穩(wěn)定滲流計(jì)算成果

圖3 大壩設(shè)計(jì)洪水位（167.97 m）穩(wěn)定滲流計(jì)算成果

圖4 大壩校核洪水位（168.50 m）穩(wěn)定滲流計(jì)算成果

圖5 大壩庫水位降落工況1 水位（166.0 m～151.1 m）穩(wěn)定滲流計(jì)算成果

圖6 大壩庫水位降落工況2 水位（166.0 m～151.1 m）穩(wěn)定滲流計(jì)算成果

圖7 大壩庫水位降落工況3 水位（168.5 m～166.0 m）穩(wěn)定滲流計(jì)算成果

從各工況滲流計(jì)算成果表可得，大壩日滲流量最大可達(dá)0.94 萬m3，年滲流量約343.1 萬m3，滲漏損失較大，建議盡快采取有效的防滲措施，確保大壩安全。

3 結(jié) 論

1）以黃材水庫為例，基于AutoBank 有限元軟件，建立大壩模型，根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果，綜合大壩建設(shè)和運(yùn)行管理情況，將大壩計(jì)算斷面分成9 個(gè)滲透分區(qū)?？紤]水庫運(yùn)行中的不利條件，分3 種工況進(jìn)行計(jì)算。

2）滲流分析表明計(jì)算斷面逸出點(diǎn)在下游褥墊排水處，浸潤線較低，計(jì)算斷面滲流流態(tài)較安全。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況較符合；計(jì)算斷面逸出點(diǎn)比降為0.002～0.267，心墻處比降為0.008～1.06，壩基接觸面比降為0.007～0.267，比降值均在允許范圍內(nèi)，現(xiàn)狀壩滿足滲透穩(wěn)定要求。大壩最大日滲流量較大，建議盡快采取有效的防滲措施，確保大壩安全。

3）AutoBank 軟件可直接導(dǎo)入到AutoCAD，為計(jì)算土石壩工程滲流提供了便利，算例分析結(jié)果與實(shí)際情況較吻合，表明AutoBank 有限元軟件在合理建模條件下模擬土壩斷面及滲流計(jì)算的可靠性，計(jì)算結(jié)果可為土壩除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)提供參考。