基于FLAC 3D求解沙灣河水庫土石壩滲流場特征分析研究

劉 茵

(東莞市水務工程質量安全監(jiān)督站，廣東 東莞 523109)

水利工程中不僅需要考慮靜力結構的應力、變形穩(wěn)定性，同樣需要考慮水工建筑物滲流狀態(tài)，其滲流安全性乃是結構防滲關鍵，故開展相應的水工建筑滲流場特征分析很有必要[1-3]。一些學者認為，滲流場特征分析計算不僅僅專注于穩(wěn)定滲流工況，同樣非穩(wěn)定滲流工況由于水工結構變化較復雜、滲流運動較活躍等特點[4-6]，亦應重點關注。施得兵等[7]、陳斌等[8]借助模型試驗方法，設計有溢洪道、水庫大壩等水工模型，以實際工況開展相應的潰壩、泄流研究，全過程進行滲流場特征參數(shù)監(jiān)測，為工程滲流安全設計提供重要借鑒。當然，模型試驗成本較高，周期較長，因而利用數(shù)值仿真手段，建立水利計算模型，在相應的穩(wěn)定工況與非穩(wěn)定工況荷載條件下，獲得包括浸潤線、水頭壓力等特征參數(shù)在內的滲流場變化[9-11]，為實際工程設計對比提供了參考。本文根據(jù)沙灣河水庫土石壩工程在竣工完建期穩(wěn)定工況及降雨、蓄水位上升非穩(wěn)定工況，研究開展了穩(wěn)定-非穩(wěn)定滲流場特征分析，為工程建設提供相應依據(jù)。

1 工程概況

為提升地區(qū)內水資源供給調度能力，水利部門考慮對境內沙灣河上游新建一小型水庫，設計庫容量為120萬m3，正常蓄水位為56.7 m，主要面向生活供水及調節(jié)下游水位。該水庫工程包括土石壩、泄洪閘以及溢洪道等，其中泄洪閘為地區(qū)水位調節(jié)重要水工設施，最大泄流量可達1200 m3/s，水閘閘墩靜、動力穩(wěn)定性較佳，采用預應力錨索作為結構加固措施，結構體系中最大拉應力不超過1.3 MPa，閘室結構中以壓應力分布為主，結構位移主要發(fā)生在沉降方向，驗算獲得最大位移沉降并未超過5 mm，在水閘兩端設置有擋土邊墻，確保閘室基礎抗傾覆、抗滑穩(wěn)定性，設計采用弧形鋼閘門作為啟閉閘門，直徑為2.2 m。溢洪道堰頂高程為52.5 m，分布在壩體左岸，泄流孔寬度為3.6 m，下游設計有消力池設施，池中深度為0.9 m，設計以消能坎作為抗水力沖刷設施，池內水面線并未超過失穩(wěn)破壞值，另經(jīng)消能池后水頭壓力可降低50%～70%。該水庫所處地層地質構造活動較穩(wěn)定，上覆土層主要為第四系堆積砂礫石及碎土，松散性較大，顆粒級配較好，主要巖性包括有部分黏土巖與砂巖等，節(jié)理及斷層發(fā)育較少，僅在南側岸坡上可見。工程場地內砂礫料較多，可作為混凝土骨料及墊層濾料使用，經(jīng)檢測各類水利材料滿足使用要求。在當前地質條件下，沙灣河水庫擬建土石壩高程為60.9 m，設計有一高度為4.5 m的防浪墻，壩頂軸線長度為355.0 m，壩頂寬度為4.6 m，壩身采用混凝土固化，上、下游坡度分別為1∶2、1∶2.5，壩址底部設置有厚度為55.0 cm的防滲墊層。該水庫壩體采用分層堆筑施工，確保每層沉降滿足安全設計要求后，方可進行后一層堆筑；由于土石壩體在施工及完建期內滲流場活動關乎著壩體抗?jié)B性，因而，針對該擬建土石壩開展不同工況下的滲流場特征分析很有必要。

2 穩(wěn)定滲流場特征

2.1 建模及工況

針對沙灣河擬建水庫土石壩工程滲流場特征計算原則，利用FLAC 3D有限元仿真計算平臺，建立壩體有限元模型，如圖1所示。該計算模型包括有堆石壩身、石渣墊層區(qū)等，基于微單元網(wǎng)格劃分，共獲得2685個單元體，2588個節(jié)點，上、下游坡度等參數(shù)均以實際設計方案為準，根據(jù)堆筑壩中不同材料設定有不同的計算參數(shù)，相關物理力學參數(shù)按照室內實測取值。計算模型中X、Y、Z正向分別設定為下游河流向、右岸軸線方向、垂直向上方向[12-13]。邊界荷載在壩體頂部設置有單方向約束，底部為多向約束，按照計算流程分別設定有1#、2#工況，上游水位分別對應32.5 m、56.7 m。

圖1 壩體有限元模型

2.2 穩(wěn)定滲流場特征分析

根據(jù)滲流場特征計算，獲得土石壩靜水工況下孔隙水壓力特征，如圖2。從圖2可看出，1#工況中孔隙水壓力整體分布從壩底至壩頂遞減，上游壩底處分布有最大孔隙水壓力，達5.020 MPa，壩身各區(qū)間孔隙水壓力分布呈塊狀遞減式，上游臨水側孔隙水壓力高于下游背水側，且在下游背水側孔隙水壓力出現(xiàn)負值，表明壩身土體處于非飽和狀態(tài)，最大負孔隙水壓力為0.795 MPa。

當水庫蓄水位增高后，達到2#工況時，此時孔隙水壓力分布基本與1#工況一致，但量值上出現(xiàn)顯著差異，2#工況上游壩底最大孔隙水壓力增大了5.6%，達5.296 MPa，從壩底至壩頂依然為遞減分布，局部塊狀分布形態(tài)與1#工況一致。下游背水側中最大負孔隙水壓力相比1#工況有所降低，降幅為6.3%，達0.745 MPa；表明水庫蓄水位增高，壩身上游壩底孔隙水壓力增高，而下游壩身負孔隙水壓力降低。筆者認為，當水庫蓄水位增高后，壩體浸潤線勢必會受影響提高，導致壩身內部進入更多水流活動，滲流場活躍性提升，靜水壓力對上游孔隙水壓力具有促進作用，最大孔隙水壓力增大；同時孔隙水壓力在壩體內逐步蔓延至下游背水側，導致背水側非飽和土體逐步吸收水分，非飽和土體分布量亦減小，進而負孔隙水壓力降低[14-15]，產生2#工況中下游負孔隙水壓力低于1#工況現(xiàn)象。

圖2 壩體孔隙水壓力分布特征(穩(wěn)定滲流工況)

3 非穩(wěn)定滲流場特征

非穩(wěn)定滲流場特征變化乃是壩體內部多場耦合的一個重要表征現(xiàn)象，本文為分析土石壩非穩(wěn)定滲流場特征，設計開展降雨過程與蓄水位上升兩種不同環(huán)境下壩體滲流場分析。

3.1 降雨過程

降雨過程為降雨強度遞增趨勢，且分別從水位32.5 m、56.7 m開始降雨(3#、4#工況)，降雨時間統(tǒng)一設定為24 d，計算這兩種不同工況下土石壩非穩(wěn)定滲流場變化。

圖3為未開始降雨前壩身孔隙水壓力分布狀態(tài)。從圖3可看出，3#工況孔隙水壓力分布為2.37～5.02 MPa，在壩體高程上從壩底至壩頂為遞減過程，壩頂與壩底間孔隙水壓力差異幅度達111.8%，壩身上孔隙水壓力為層狀式遞減，上、下游壩身孔隙水壓力在同一高程上基本一致。4#工況孔隙水壓力相比3#工況僅量值上有所提升，分布狀態(tài)基本一致，壩頂、壩底的孔隙水壓力相比3#工況分別提升了11.9%、5.6%。

圖3 降雨前壩身孔隙水壓力分布狀態(tài)

圖4 降雨過程壩身孔隙水壓力分布(從左至右分別為降雨1 d、12 d、24 d)

圖4為3#、4#工況下降雨過程壩身孔隙水壓力分布特征。從圖4可知，3#、4#工況隨降雨強度增大，壩身上孔隙水壓力均為遞增[16]。3#工況中在降雨1～12 d間壩頂孔隙水壓力有所減弱，但減幅僅為0.11%，而降雨12～24 d 孔隙水壓力又呈穩(wěn)定狀態(tài)，整體上孔隙水壓力均為從壩底至壩頂遞減，隨降雨強度增強，壩頂小孔隙水壓力分布區(qū)域逐步減少，上、下游壩身孔隙水壓力基本一致。從分布特征變化趨勢來看，壩底大孔隙水壓力分布面積隨降雨強度在逐步擴展，而受降雨影響，壩頂小孔隙水壓力分布區(qū)域逐步減少。

對于水位增長至正常蓄水位下的4#工況來說，在相同降雨1 d、12 d、24 d時間對比中，壩底最大孔隙水壓力差異幅度分別為0、4.0%、2.7%，而壩頂小孔隙水壓力間對比幅度差異為0、1.5%、1.5%，孔隙水壓力分布變化特征基本與3# 工況一致，表明正常蓄水位與較低蓄水位的降雨過程中，壩身孔隙水壓力分布基本一致，僅在量值上有幅度差異。另一方面，正常蓄水位4#工況中降雨時間1～12 d、12～24 d間壩頂小孔隙水壓力增幅為1.4%、0，而在壩底處最大孔隙水壓力增幅又為2.2%、2.0%，表明正常蓄水位工況受降雨強度影響，孔隙水壓力變化更為敏感。

3.2 蓄水位上升過程

蓄水位上升過程均從完建期無水開始上升，5# 工況為水位上升至正常蓄水位56.7 m，6#工況為水位上升至59.9 m，水位上升時間均為100 d。根據(jù)兩種不同水位上升過程計算，獲得孔隙水壓力分布變化特征，如圖5所示。

從圖5可知，兩工況孔隙水壓力分布特征基本一致，僅在壩底、壩頂上孔隙水壓力量值具有顯著差異，表明非穩(wěn)定滲流工況下，孔隙水壓力變化空間分布特征影響較小，但受時間變化影響較大。在竣工完建期無水情況下背水側存在有負孔隙水壓力，即土體處于非飽和狀態(tài)[17]，隨水位上升，小孔隙水壓力分布量值在降低，5#工況中降雨1 d小孔隙水壓力為1.88 MPa，而在降雨50 d、100 d時小孔隙水壓力值相比前者分別降低了42.6%、55.1%，平均每50 d可導致壩身負孔隙水壓力降低48.9%；而在6#工況中，負孔隙水壓力亦是同理變化，但降幅相比5#工況有所減弱，平均每50 d可導致壩身負孔隙水壓力降低31.1%，分析認為此與初始狀態(tài)下6#工況中存在有水位，此時背水側土體內非飽和狀態(tài)優(yōu)于5#工況。臨水側壩底存在有最大孔隙水壓力，隨水位上升，逐步增大，5#工況中最大孔隙水壓力隨水位提升50 d，平均增幅為86.6%，而6#工況下幅度又為100.6%，此與6#工況中水位上升速率高于5#工況，造成臨水側水頭壓力差較大，進而產生臨水側孔隙水壓力增幅高于5#工況的現(xiàn)象。在相同水位上升時間1 d、50 d、100 d時，5#與6# 工況間壩底處最大孔隙水壓力幅度差異分別為6.3%、5.6%、5.6%，而壩頂處小孔隙水壓力幅度又為6.2%、14.1%、6.6%，表明初始水位狀態(tài)不僅影響壩身孔隙水壓力的變化幅度，也會影響孔隙水壓力分布量級。

圖5 蓄水位上升過程壩身孔隙水壓力分布

4 結 論

(1)穩(wěn)定滲流工況下蓄水位上升，不改變壩身孔隙水壓力分布特征，孔隙水壓力均為從壩底至壩頂遞減；僅影響孔隙水壓力量值，蓄水位56.7 m與32.5 m相比，壩頂最大負孔隙水壓力降幅為6.3%，而壩底最大孔隙水壓力增幅為5.6%。

(2)降雨非穩(wěn)定滲流工況下，未降雨前，水位32.5 m、56.7 m的孔隙水壓力分布為2.37～5.02 MPa、2.65～5.30 MPa；隨降雨強度增大，壩身上孔隙水壓力均為遞增，且小孔隙水壓力分布區(qū)域減小，兩工況中降雨過程壩底、壩頂孔隙水壓力差異幅度分別為0～4.0%、0～1.5%。

(3)蓄水位上升非穩(wěn)定滲流工況中，隨水位上升，初始水位56.7 m與59.9 m工況下每50 d平均可導致壩身負孔隙水壓力平均分別降低48.9%、31.1%，而臨水側最大孔隙水壓力平均增幅又分別為86.6%、100.6%；同一水位上升時間節(jié)點處兩工況的最大孔隙水壓力、最小孔隙水壓力差異幅度分別為5.6%～6.3%、6.2%～14.1%。