基于ANSYS計算下水庫土石壩滲流場與應(yīng)力變形場特性分析研究

邱德俊，仲靜文，周 洋

(南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，江蘇 南京 210022)

水庫在蓄水運(yùn)營過程中，水流對壩體的滲流特性，會一定程度對壩體滲流與應(yīng)力變形產(chǎn)生較大的影響，并促進(jìn)壩體內(nèi)部滲流活動和增大壩體應(yīng)力集中，造成壩體失穩(wěn)，因而水利大壩類滲流安全穩(wěn)定性是水庫運(yùn)營重要關(guān)注方面[1-3]。針對土石壩安全穩(wěn)定性，有些學(xué)者通過在壩體內(nèi)部安裝傳感器，長期監(jiān)測壩體運(yùn)營狀況，獲得壩體滲流與應(yīng)力變形數(shù)據(jù)，并分析數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，作為評估大壩安全穩(wěn)定重要參考[4-6]。水工模型試驗是室內(nèi)水工結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究的重要手段，劉睿璇、劉小生等通過在室內(nèi)構(gòu)建土石壩水工模型，進(jìn)行潰壩、滲漏破壞等破壞性試驗，研究大壩滲流安全與應(yīng)力變形臨界允許區(qū)間，為工程中大壩安全設(shè)計提供數(shù)據(jù)參考[7-9]。數(shù)值仿真是工程中常用研究復(fù)雜工況的措施，針對不同滲流工況壩體安全穩(wěn)定性[10-12]，計算獲得壩體滲流場與應(yīng)力變形場，及時高效獲得水庫壩體應(yīng)力變形狀態(tài)，為水庫蓄水穩(wěn)定性評估提供重要參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 工程概況

某水庫為安徽省東部地區(qū)重要蓄水工程，設(shè)計總庫容為1800萬m3，承擔(dān)著區(qū)域內(nèi)豐、枯水期水資源調(diào)度任務(wù)，該水庫還承擔(dān)著周圍40 000 hm2農(nóng)田灌溉，已建設(shè)輸水渠道68.0 km，可在原有灌溉效率基礎(chǔ)上提升23%， 另根據(jù)地區(qū)水資源規(guī)劃年表可知，水庫還是該地區(qū)工業(yè)用水重要來源，占規(guī)劃年供水的26%。水庫樞紐工程包括壩體工程與輸水渠道兩部分，其中壩體工程又涵蓋了泄洪閘、消能池等水工結(jié)構(gòu)設(shè)施，輸水渠道主要以輸水隧道和干渠為主。設(shè)計壩頂高程為2205.0 m，大壩總長度約為315.0 m，設(shè)計高度為87.5 m，壩頂寬度為8.8 m，上游坡比約為1∶1.5，水庫正常蓄水位高程為2202.5 m，為保證大壩滲流穩(wěn)定性，以60.0 cm厚度的防滲墻插入壩基上覆蓋層中，壩體表面設(shè)置有土工隔膜防滲網(wǎng)，每個網(wǎng)格單元可降低滲漏量5.5 m3/s。輸水渠道設(shè)計控制流量為0.9 m3/s，渠道已采用格賓石籠的襯砌結(jié)構(gòu)型式連接至輸水隧洞。水庫的建設(shè)極大緩解了該地區(qū)水資源供需關(guān)系不平衡，缺水率過高的狀況。

1.2 水庫現(xiàn)狀問題

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，水庫目前存在以下幾個方面的問題。

(1)壩體滲漏。部分區(qū)段壩體內(nèi)安裝有傳感器，發(fā)現(xiàn)局部地段內(nèi)水力坡降在水位變化過程中趨于平緩狀態(tài)，地下水低于庫容水位等現(xiàn)象，局部地段監(jiān)測到滲漏量。

(2)泥沙淤積。由于周圍岸坡侵蝕嚴(yán)重，造成岸坡內(nèi)部分巖土體發(fā)生滑坡或崩塌時，均被卷入水庫內(nèi)，造成水庫內(nèi)淤積較多泥沙等懸浮物質(zhì)。

(3)岸坡穩(wěn)定性。岸坡內(nèi)粉、砂土形成的潛在滑動面，在外界降雨等影響下，極易發(fā)生邊坡失穩(wěn)，對水庫大壩穩(wěn)定性均有一定的影響。

在上述工程調(diào)查及室內(nèi)巖土試驗基礎(chǔ)上，表明水庫局部地區(qū)大壩出現(xiàn)滲漏及安全穩(wěn)定威脅，為保證水庫安全運(yùn)營，應(yīng)對水庫壩體開展?jié)B流與變形分析。

2 大壩滲流場分析

2.1 模型構(gòu)建與計算參數(shù)

針對該水庫土石壩滲流場特性計算，選擇樁號1+175～1+235區(qū)段開展有限元建模計算，按照實(shí)際剖面資料繪出幾何剖面圖，如圖1所示。給出土石壩體兩個特征部位左側(cè)壩肩與右側(cè)壩肩三維網(wǎng)格模型圖，如圖2所示。本文在計算滲流場時，以壩體特征部位上典型斷面為例分析。邊界條件中的上下游水位分別為132.6 m、125.3 m，巖土體材料參數(shù)以室內(nèi)土工試驗依據(jù)計算。

圖1 幾何剖面圖

圖2 左側(cè)壩肩與右側(cè)壩肩三維網(wǎng)格模型圖

2.2 穩(wěn)定滲流

本文共計算了壩體六個特征部位的穩(wěn)定滲流場，將土石壩分為左右兩側(cè)，分別與岸坡連接，另還有與混凝土壩體交界面。

圖3為左側(cè)土石壩的網(wǎng)格圖及2個特征剖面滲透壓力云圖，1-1為未設(shè)置防滲墻剖面，2-2為設(shè)置有防滲墻結(jié)構(gòu)剖面。從圖3中可看出，左側(cè)壩肩1-1剖面上滲透壓力分布處于平穩(wěn)不變狀態(tài)，剖面上呈層次性分布，計算出1-1剖面上游水位高程為130.5 m，而下游水位高程基本與之一致，亦為130.5 m，即不存在顯著水頭差；相反，在2-2剖面上游水頭值為130.5 m，但下游水頭降低了2.1%，達(dá)127.8 m，即防滲墻存在，一定程度上削弱了水頭在上下游的平穩(wěn)過渡。

圖4為左側(cè)壩肩與岸坡連接處特征剖面滲透壓力云圖，1-1特征剖面處設(shè)置有防滲墻結(jié)構(gòu)，從圖中可看出，防滲墻前后水位降低了5.5%，而在防滲墻結(jié)構(gòu)后，壩體內(nèi)滲透壓力區(qū)間界線基本保持水平，表明即使在防滲墻后存在較大滲透系數(shù)的巖土材料，但其滲透壓力基本不會損失，即滲漏量對防滲墻后材料滲流穩(wěn)定下威脅較小。從最大滲透壓力可看出，三個特征剖面上最大滲透壓力均分布在基巖層上，其中以1-1剖面上滲透壓力最大，達(dá)293.6 kPa，由于防滲墻底部基礎(chǔ)設(shè)置在基巖層上覆蓋土層中，故而應(yīng)考慮加深防滲墻插入深度。

圖3 左側(cè)土石壩滲透壓力云圖

圖4 左側(cè)壩肩與岸坡連接處滲透壓力云圖

圖5為右側(cè)土石壩滲透壓力等值線圖，從圖5中可看出，由于在土石壩與混凝土壩接觸部位設(shè)置有防滲墻與止水面板系統(tǒng)，上、下游水位高程均發(fā)生一定變化，其中，下游水位相比上游水位高程降低了8.0%，下游水流逸出點(diǎn)高程甚至降低了9.5%，其中土石壩與混凝土壩接觸截面上，滲透壓力為0，而在土石壩防滲墻后內(nèi)部滲透壓力387.5 kPa以上，但在接觸界面上甚至為0，分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是由于防滲墻與土工膜的防滲系統(tǒng)是一種外在施加給壩體的防滲結(jié)構(gòu)，實(shí)質(zhì)上土石壩體內(nèi)部材料滲透系數(shù)仍然較大，但混凝土壩相比來說，滲透系數(shù)較低，而這種極低的滲透系數(shù)防滲效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于土石壩體的外在防滲結(jié)構(gòu)，故而當(dāng)土石壩體與混凝土壩體接觸時，界面上滲透壓力為0。

從右側(cè)土石壩滲透壓力等值線可看出，在土工膜止水系統(tǒng)前后，土石壩上浸潤線發(fā)生下降，由上游的126.6 m下降至124.5 m，浸潤線共下降2.1 m,即土工膜防滲系統(tǒng)一定程度能降低壩身浸潤線，提升壩體滲流安全性。相比左側(cè)土石壩，右側(cè)土石壩最大滲透壓力增大了36.9%，達(dá)402.0 kPa。從整體滲流安全性來看，右側(cè)土石壩浸潤線較低，但滲透壓力較高。

圖5 滲透壓力云圖與等值線圖

2.3 非穩(wěn)定滲流

水庫運(yùn)營過程中不僅存在穩(wěn)定滲流狀態(tài)，當(dāng)?shù)貐^(qū)突降暴雨或枯水季時，庫水位的突升與突降均會一定程度造成壩體內(nèi)部產(chǎn)生非穩(wěn)定滲流，因而模擬壩體上游水位突降與突升過程中非穩(wěn)定滲流特性，突升變化為133.0 m增大至135.0 m，突降為水位134.0 m降至131.0 m。

圖6為突降與突升過程中右側(cè)岸坡內(nèi)部滲透壓力變化云圖，從圖6中可看出，初始滲透壓力為500.1 kPa，水位降低至目標(biāo)水位后，滲透壓降低了3.6%，為482.0 kPa，不論是初始水位亦或是降低至目標(biāo)水位后，壩體內(nèi)部浸潤線位置實(shí)質(zhì)上并未發(fā)生較大改變，由于土工膜存在，在水位突降過程中非穩(wěn)定滲流活動受到抑制，故而呈現(xiàn)浸潤線不隨滲透壓力變化而改變。水位突升過程中浸潤線變化與前者工況有所類似，僅在初期狀態(tài)下發(fā)生一定的上升，但在后期水位上升變化過程中，基本未發(fā)生較大變化，并維持穩(wěn)定在125.5 m左右，滲透壓力變化從初期499.7 kPa增大至后期的513.0 kPa。由此表明，在水位突升或突降過程中，壩體內(nèi)部的非穩(wěn)定滲流主要在防滲結(jié)構(gòu)系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生，而對壩體滲流穩(wěn)定幾乎無顯著影響[13-14]。

圖6 右側(cè)岸坡內(nèi)部滲透壓力變化云圖

為了準(zhǔn)確了解壩體非穩(wěn)定滲流狀態(tài)，獲得防滲墻上滲透壓力云圖，如圖7所示。在水位突升過程中，滲透壓力最大可達(dá)到598.7 kPa，且最大滲透壓力僅分布在防滲墻剖面表面，在深層中滲透壓力仍然較小，以285.8～332.3 kPa滲透壓力為主，整體上滲流區(qū)間界線處于水平狀態(tài)，非穩(wěn)定滲流活動限制較強(qiáng)。在突降過程中亦是類似，其最大滲透壓力達(dá)628.2 kPa。綜合可知，不論是從浸潤線亦或是上下游水流逸出點(diǎn)高程來看，壩體自身所存在的防滲墻等防滲結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可抵御穩(wěn)定與非穩(wěn)定滲流活動。

3 大壩應(yīng)力場與位移場分析

根據(jù)穩(wěn)定滲流設(shè)計工況下水位條件，求解壩體6個特征部位結(jié)構(gòu)應(yīng)力與位移特征參數(shù)。此6個特征部位分別為左岸、右岸土石壩，左側(cè)岸坡肩與土石壩連接處，右側(cè)岸坡肩與土石壩連接處，左側(cè)土壩與混凝土壩連接處，右側(cè)土壩與混凝土壩連接處。仿真模型計算結(jié)果在X正向為順河流下游，Y正向為沿壩軸線向右，Z正向為壩體垂直向上方向。

圖7 防滲結(jié)構(gòu)滲透壓力云圖(突升、突降剖面)

3.1 穩(wěn)定滲流工況

根據(jù)壩體各部位結(jié)構(gòu)應(yīng)力場與位移場最大值，將六個特征部位以A～F特征部位點(diǎn)代替，獲得各部分結(jié)構(gòu)處最大應(yīng)力、位移變化曲線，如圖8所示。

圖8 位移、應(yīng)力變化曲線

從圖8中可看出，X向位移最大值位于右側(cè)土石壩肩與混凝土壩連接處，為3.61 mm，但實(shí)質(zhì)上左側(cè)土石壩肩與混凝土壩連接處最大位移亦與之相近，為3.60 mm；左、右側(cè)土石壩X向位移較小，穩(wěn)定在0.70～1.15 mm，即沿水流(X向)方向位移土石壩處于較低水平。左、右側(cè)土石壩肩與混凝土壩連接處Y向位移一致，均為4.10 mm，土石壩Y向位移仍然較小，最大僅為0.30 mm。Y向最大位移出現(xiàn)在右側(cè)岸坡肩與土石壩連接處，達(dá)6.2 mm。左、右岸坡肩與土石壩連接處，左、右側(cè)土石壩肩與混凝土壩連接處兩兩Z向最大位移值一致，分別為42.9 mm、41.4 mm，其中最大位移為42.9 mm方向向上，土石壩體沉降值最大僅為19.6 mm，位于左岸土石壩，為壩高的0.02%，符合規(guī)范要求允許值。各特征部位處第三主應(yīng)力水平均高于第一主應(yīng)力，其中第一主應(yīng)力最高為左、右側(cè)土石壩肩與混凝土壩連接處，達(dá)152.6 kPa，屬拉應(yīng)力，相比于原材料抗拉強(qiáng)度值，均處于安全范圍，左、右側(cè)土石壩最大拉應(yīng)力值分別為35.2 kPa、14.8 kPa，相比土石壩所能承受最大拉應(yīng)力值，處于合理區(qū)間。最大壓應(yīng)力為1957.5 kPa，屬右岸坡肩與土石壩連接處，左、右側(cè)土石壩最大壓應(yīng)力為前者的45%～55%，壓應(yīng)力值相比材料抗壓強(qiáng)度較小。綜合位移場與應(yīng)力場計算可知，壩體安全穩(wěn)定性良好。

3.2 非穩(wěn)定滲流工況

非穩(wěn)定滲流工況中，以右側(cè)土石壩水位突升工況下位移場為例分析，獲得如圖9所示結(jié)果。從圖9中可看出，X向最大位移值為0.7 mm，Y向位移最大值為0.1 mm，從分布形態(tài)來看，X向位移中上游側(cè)高于下游側(cè)，Y向最大位移貫穿壩頂，穿過上、下游側(cè)，但量值均處于較低水平；Z向沉降位移最大為15.0 mm，為壩高的0.017%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于規(guī)范要求的臨界1%壩高。對比穩(wěn)定滲流工況，非穩(wěn)定滲流工況中土石壩在各方向上的位移值均低于前者，即非穩(wěn)定滲流工況實(shí)質(zhì)上對壩體應(yīng)力位移場擾動幾乎是無影響。應(yīng)力場以水位突降時岸坡肩與土石壩連接處為例分析，如圖10所示，最大拉應(yīng)力為49.2 kPa，位于壩身表面，最大壓應(yīng)力為1959.5 kPa，均符合材料安全強(qiáng)度。相比穩(wěn)定滲流工況，最大拉、壓應(yīng)力實(shí)質(zhì)上并未發(fā)生較大變化，最大拉應(yīng)力僅增長了14.5%，壓應(yīng)力甚至相差僅為2.0 kPa。分析表明，非穩(wěn)定滲流工況中，壩體各方向位移值與應(yīng)力值變化均處于合理區(qū)間，穩(wěn)定性較好。

圖9 右側(cè)土石壩體位移場分布

圖10 岸坡肩與土石壩連接處應(yīng)力云圖

4 結(jié) 論

利用ANSYS軟件計算了水庫土石壩體6個特征部位穩(wěn)定與非穩(wěn)定滲流場、應(yīng)力變形場特性，有以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)研究了穩(wěn)定滲流工況下，壩體各特征部位結(jié)構(gòu)在防滲墻等防滲措施下均會出現(xiàn)浸潤線降低、水流逸出點(diǎn)高程下降等現(xiàn)象，防滲措施效果顯著；左側(cè)土石壩、左側(cè)壩肩與岸坡連接處分別在防滲墻前后水頭降低了2.1%、5.5%，右側(cè)土石壩浸潤線下降了2.1 m。

(2)分析了非穩(wěn)定滲流工況下，不論水位突升或突降，壩體內(nèi)部的非穩(wěn)定滲流主要在防滲結(jié)構(gòu)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生，而對壩體自身結(jié)構(gòu)滲流穩(wěn)定幾乎無顯著影響；右側(cè)岸坡內(nèi)經(jīng)防滲墻后浸潤線長期維持在125.5 m左右，防滲墻內(nèi)滲流穩(wěn)定，滲透壓力以285.8～332.3 kPa為主。

(3)獲得了穩(wěn)定滲流工況下，壩體最大拉、壓應(yīng)力為35.2 kPa、1957.5 kPa；X、Y、Z向最大位移為3.61 mm、6.2 mm、42.9 mm，土石壩最大沉降為壩高的0.02%；位移值與應(yīng)力值均表明壩體處于安全穩(wěn)定。

(4)研究了非穩(wěn)定滲流工況下，右側(cè)土石壩體X、Y、Z向最大位移為0.7 mm、0.1 mm、15 mm，最大拉、壓應(yīng)力為49.2 kPa、1959.5 kPa，非穩(wěn)定滲流工況中土石壩在各方向上的位移值均低于或接近穩(wěn)定滲流工況，壩體應(yīng)力位移場擾動幾乎不受非穩(wěn)定滲流影響。