獨特心墻形式土石壩工程除險加固效能評價分析研究

顧艷玲 楊 孟

(1.中國水利水電科學研究院，北京 100038；2.河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098)

我國現(xiàn)有堤壩工程數(shù)量龐大，其中絕大多數(shù)是土石堤壩，在役期間其不可避免地遭受不利環(huán)境荷載、材料疲勞效應及外界侵蝕等多因素耦合效應作用[1-2]，對土石堤壩而言，其最突出的病患即為滲漏病害，從潰壩相關資料中得知，滲流導致潰壩的情況占29.1%[3]；根據(jù)國內外的調查資料，滲流沖刷破壞潰壩的情況占40%，與滲流密切相關的滑坡破壞占大約15%[4]。在蓄水后，由于較大水頭的作用，在壩基較薄弱的地方會產(chǎn)生滲流破壞，滲流破壞對于水工建筑物的穩(wěn)定會產(chǎn)生不利影響，也會引起地基的滲透破壞[5]，滲流過大也會造成水庫的嚴重漏水，一般工民建工程不存在此問題，使得滲流問題成為水工方面獨有的問題。因此加強堤壩工程滲漏病害防治意義重大。

澄碧河水庫主體工程為土石壩工程，其為混凝土心墻和黏土心墻的組合結構，為極為少見的特殊型式。對土石壩工程進行滲漏滲流等安全要素的分析是壩體工程設計的重要前提，也是估算土石壩工程多方效益的重要保障。

對土石壩工程進行滲流計算分析的研究方法主要有理論求解、物理模擬、數(shù)值模擬三種。其中，有限元方法作為數(shù)值模擬法的一種是使用最多的方法之一[6]。利用有限元法可以進行穩(wěn)定滲流和非穩(wěn)定滲流分析，可以對二維、三維的模型進行處理，不僅可以面向堤防工程的非均質性特點，也能針對各向異性開展研究，因此現(xiàn)有的滲流計算理論基本可以滿足一般類似堤防工程的滲流分析需要[7-9]。對于自由面情況下的滲流分析而言，主要是關于不變網(wǎng)格的計算方法，也就是在固定化的網(wǎng)格中研究，代表性的方法有：吳夢喜等的虛單元法[10]；針對三維問題開展應用提出的改進法，如張有天依據(jù)剩余流量法，引入非線性應力分析，進而得出初應力的概念，并且提出了初流量法[11]；Neuman針對固定化的網(wǎng)格研究提出了Galerkin方法；Desai針對該問題提出了剩余流量法[12]。

本文在對土石壩滲流計算方法和浸潤線確定方法進行分析的基礎上，借助APDL語言進行二次開發(fā)，建立了該獨特心墻型式的土石壩加固前、后的滲流場分析模型，進而對加固前后該獨特類型的土石壩的滲流性態(tài)進行了定性與定量化的對比分析，對其他工程具有極好的借鑒意義。

1 獨特心墻形式的土石壩分析

澄碧河水庫樞紐工程是在特殊的歷史背景下興建的，是典型的“三邊”工程，見圖1～圖2，施工質量較差，留下較多隱患。歷史上經(jīng)過多次加固，仍未消除其安全隱患，致使水庫長期限制水位運行，不能發(fā)揮正常效益。該土石壩工程為混凝土心墻與黏土心墻結合的土石壩，最大壩高70.40m。初期，在大壩上游壩坡高程174.0m以上做黏土防滲斜墻；后期，開始混凝土防滲心墻的設計與施工?；炷练罎B心墻施工完畢后，壩頂加高至190.40m。

圖1 獨特心墻型式土石壩工程加固前工程圖

總體上，混凝土心墻修建后，墻前、墻后水位差較大，下游出逸點較低，使原來大壩壩體嚴重的滲漏情況得到了很大的改善，壩后坡體上成片的滲漏點基本消除。但該心墻建成已經(jīng)近40年，隨著使用年限的增加，其防滲能力在逐漸降低，需要進行除險加固，通過對防滲墻進行全面的檢查，根據(jù)檢查情況，在局部區(qū)段進行高噴灌漿。下游壩坡加固處理方案主要從兩個方面考慮：其一，在抗震工況下，下游壩坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不滿足規(guī)范要求；其二，壩頂寬度不滿足規(guī)范要求。因此，建議采用壩坡放緩方案進行加固，初步擬定采用振沖加固方案，對大壩上游壩坡進行加固。

該獨特心墻型式土石壩的滲流主要是指水流在多孔介質內流體的流動[13-15]。滲流情況依據(jù)水頭、水力梯度等表征量是否隨時間變化又分為穩(wěn)定滲流和非穩(wěn)定滲流[16]。

2 獨特心墻型式土石壩工程除險加固效能評價分析

基于前述土石壩浸潤線的判定分析方法和滲流分析的理論計算方法，本小節(jié)針對該獨特心墻型式土石壩工程特點，應用ANAYS軟件中的APDL語言進行二次開發(fā)，編制了土石壩滲流分析程序，對某土石壩加固前后滲流場進行模擬分析，評價其加固方案性能。

2.1 獨特心墻型式土石壩工程滲流計算程序二次開發(fā)

基于獨特心墻型式土石壩工程滲流計算分析的需求，根據(jù)虛點法原理計算滲流，并基于APDL單元生死技術來實現(xiàn)。首先假定浸潤線的位置，不斷地迭代計算，直到前后兩次迭代差值滿足限差為止，找到浸潤線以及逸出點位置，且計算總的滲流量。

在相似的邊界條件下，可以通過ANSYS熱分析模塊來分析滲流場，但是關于浸潤線問題應用單元生死技術更為合適，需要二次開發(fā)。獨特心墻型式土石壩工程的滲流存在自由面，自由面以下稱為飽和土體，其具有固定的滲透系數(shù)，自由面以上部分認為是不參與滲流計算的主體，對于定解條件，假定浸潤線的法向滲流速度為零。二次開發(fā)的思路為：首先假定獨特心墻型式土石壩工程的浸潤線以及下游出口處的位置，根據(jù)假定的邊界條件進行不斷的運算，然后設定限差，兩次求解的總水頭的差值滿足給定的限差時計算結束。

自由面的計算是滲流分析中的難題之一，滲流自由面是滲流場中的待求邊界，需同時滿足第一類邊界條件和第二類邊界條件。在目前的大多數(shù)固定網(wǎng)格方法中，確定自由面的計算較為復雜，依賴性強。本文提出使用局部網(wǎng)格變動方法來分析該獨特心墻型式土石壩工程除險加固工程，該方法既能簡單地將舊迭代的網(wǎng)格變形成新迭代后要求的網(wǎng)格，也能采用貼體坐標變換技術，使每次迭代過程的網(wǎng)格全部重新生成。根據(jù)上述過程，要假定浸潤線的出口點位置，并利用APDL單元生死技術不斷地對在浸潤線以上的部分進行單元“殺死”操作。浸潤線以下的部分一直處于“生”的狀態(tài)，只參與計算，一直循環(huán)進行直到滿足限差，結束循環(huán)。具體的操作流程見圖3。

圖3 獨特心墻型式土石壩工程滲流二次開發(fā)程序

2.2 除險加固效能結果分析

基于該工程特點和大壩的加固方案，分別構建大壩加固前后的有限元計算模型，見圖4～圖5。

圖4 加固前大壩有限元模型

圖5 加固后大壩有限元模型

針對該壩特點，選擇最大河床斷面進行二維滲流有限元分析。其材料分區(qū)有壩體風化土區(qū)、心墻黏土區(qū)、混凝土防滲墻區(qū)、排水棱體區(qū)和壩基基巖層區(qū)，滲透系數(shù)取值依次為2.0×10-4m/d、2.0×10-5m/d、2.0×10-6m/d、1.0×10-3m/d、2.0×10-5m/d。

根據(jù)上述基本資料和計算模型，對該大壩加固前后正常蓄水位下的滲流場進行計算分析。滲流要素計算結果見表1，加固前和加固后各工況下總水頭和壓力水頭等值線圖和云圖見圖6～圖13。

圖6 加固前正常水位下壓力水頭線云圖

圖7 加固前正常水位下壓力水頭等值線

圖8 加固后正常水位下壓力水頭線云圖

圖9 加固后正常水位下壓力水頭等值線

圖10 加固前正常水位下總水頭云圖

圖11 加固前正常下水位總水頭等值線

圖12 加固后正常水位下總水頭云圖

圖13 加固后正常水位下總水頭等值線

基于二次開發(fā)的計算，得出了正常蓄水位下滲流要素計算結果，見表1。

表1 正常蓄水位下滲流要素計算結果

對比分析可知：

a.大壩原混凝土防滲墻起到了防滲作用，壩體滲漏量較小。

b.大壩加固前后壩體下游浸潤線均從排水棱體中出逸，大壩滲流形態(tài)安全。

c.大壩加固前后，大壩滲流形態(tài)沒有明顯變化，大壩滲流安全。

d.混凝土防滲墻和黏土防滲結構的結合部位有水頭線聚集現(xiàn)象，說明該區(qū)域具有較為復雜的滲流特性，在加固前后對比發(fā)現(xiàn)，加固后的水頭線密集程度明顯降低，表明加固過程對改善混凝土防滲墻和黏土防滲結構的結合部位滲流狀況具有較好的效果。

以上成果在認為混凝土心墻質量滿足要求的情況下獲得的。地勘及觀測資料表明：混凝土心墻內存在橫向和縱向裂縫?；炷列膲B續(xù)性較差，局部存在波速較低的部位。隨著防滲墻使用年限的增加，部分墻段的水位差在減小，壩體滲潤線在逐漸抬高。但在現(xiàn)階段，混凝土心墻質量缺陷難以模擬。因此，擬在全面檢查后，確定處理范圍。

3 結 論

基于黏土心墻和混凝土心墻組合形式下獨特心墻結構的土石壩工程，給出了浸潤線的判定分析方法和滲流分析的理論計算方法。針對該獨特心墻型式土石壩工程特點，應用APDL語言進行二次開發(fā)，編制了獨特心墻結構的土石壩工程滲流分析程序，對某土石壩加固前后滲流場進行了模擬分析，評價了除險加固效能，對其他工程有很好的借鑒意義。

a.依托獨特心墻型式土石壩工程，充分考慮水頭、滲流速度、孔隙水壓力、滲流力、滲流量等要素，采用單位重量意義上的土水勢概念，確定其浸潤線構建方法，并基于該方法，確定了使用APDL語言進行二次開發(fā)的構建思路。

b.該土石壩工程為基于黏土心墻和混凝土心墻組合形式下的獨特心墻結構，確定了其初始條件、邊界條件等重要因素，并分析了其滲流計算方法，并基于二次開發(fā)的構建思路，進行了獨特心墻型式土石壩滲流計算二次開發(fā)，計算得出了其滲流結果。

c.計算得出了大壩加固前后正常蓄水位下的滲流場的總水頭和壓力水頭等值線圖和云圖，計算求解了正常蓄水位下混凝土防滲墻內最大滲透比降、下游壩殼料最大滲透比降、總滲漏流量等數(shù)值，并進行了多方面的對比分析，得出了大壩加固方案的效果極為明顯的結論，對其加固效果進行了定性與定量化的全面有效評價分析。