基于Autobank水庫大壩的一些穩(wěn)定滲流分析

袁鳳娟

(安徽省阜陽市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司,安徽 阜陽 236000)

0 引 言

作為擋水建筑物,水庫大壩在水資源調(diào)度、農(nóng)業(yè)灌溉、生活供水中發(fā)揮著重要作用。在實(shí)際運(yùn)行過程中,長(zhǎng)期的水流作用會(huì)使水庫大壩的耐久力不斷下降,甚至出現(xiàn)滲流現(xiàn)象[1-2]。水庫大壩滲流的產(chǎn)生會(huì)嚴(yán)重降低大壩的安全性,因此如何準(zhǔn)確分析水庫大壩滲流,并提出相應(yīng)的加固措施,是當(dāng)前水利工作中必須關(guān)注的問題。已有研究提出,可以采用有限元分析軟件來構(gòu)建水庫大壩的滲流計(jì)算模型,并利用有限元軟件根據(jù)區(qū)域水文、氣象、地質(zhì)等相關(guān)資料,獲取水庫大壩滲流發(fā)生的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[3-4]。

目前,針對(duì)水工結(jié)構(gòu)常用的有限元軟件為Autobank,該軟件能夠一次性求解多種安全系數(shù),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更為完善的滲流分析[5-6]。安徽省明光市境內(nèi)分水嶺水庫于1980年建成,因長(zhǎng)期受到水流作用,已經(jīng)存在著較大的安全隱患。因此,本文基于Autobank軟件,提出分水嶺水庫大壩的滲流分析策略,為該水庫的防滲加固提供理論參考,從而提升水庫安全性。

1 Autobank軟件中的大壩滲流分析模型構(gòu)建

1.1 工程概況

研究以安徽省明光市境內(nèi)分水嶺水庫為研究對(duì)象,總庫容7 448×104m3,是一座以農(nóng)業(yè)灌溉為主、兼起滯洪作用的中型水庫,屬淮河流域七里湖水系。水庫壩址建于白沙河上的3條支流匯合處,其控制來水面積113km2,壩址地形屬低山區(qū),距明光市35km,距104國道16km,距京滬鐵路20km。分水嶺水庫防洪保護(hù)范圍包括明光市澗溪、魯山、白沙王等鄉(xiāng)鎮(zhèn),以及江蘇省盱眙縣部分地區(qū)和S309公路,保護(hù)總?cè)丝?.0萬人,耕地0.466 7×104hm2。見圖1。

圖1 分水嶺水庫工程位置

水庫樞紐工程主要由主壩、副壩、溢洪道、東放水涵、西放水涵等建筑物組成,工程等別為Ⅲ等,主要建筑物級(jí)別為3級(jí);防洪標(biāo)準(zhǔn)采用100年一遇洪水設(shè)計(jì),2 000年一遇洪水校核;工程抗震設(shè)計(jì)烈度為Ⅶ度。

分水嶺水庫始建于1958年,施工時(shí)斷時(shí)續(xù),歷時(shí)20余年,經(jīng)過五期施工,到1980年基本建成。由于多種原因,大壩壩體填筑質(zhì)量差,壩基、壩身防滲系統(tǒng)不完善,滲漏嚴(yán)重,影響大壩的正常運(yùn)用;溢洪道消能設(shè)施不完善,沿程沖刷嚴(yán)重,淘刷壩腳,無法安全運(yùn)行;放水涵洞洞身砌筑質(zhì)量差,洞身斷裂,存在嚴(yán)重接觸滲漏;白蟻危害嚴(yán)重;該庫壩址處于7度地震烈度區(qū)。水庫不能在設(shè)計(jì)條件下安全運(yùn)行,威脅下游澗溪鎮(zhèn)、江蘇省盱眙縣部分地區(qū)和S309省級(jí)公路以及5萬人口、0.4667×104hm2耕地安全,影響水庫綜合效益的發(fā)揮。

1.2 基于Autobank的水庫大壩滲流分析模型

Autobank軟件是行業(yè)性應(yīng)用軟件,以CAD界面為基礎(chǔ),通過定義大壩基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元分析,能夠快速計(jì)算出大壩的不同滲流場(chǎng),進(jìn)而判斷大壩的穩(wěn)定性[7-8]。為了判斷分水嶺水庫的穩(wěn)定性,利用河海大學(xué)工程力學(xué)研究所的 Autobank7.08 程序進(jìn)行有限元法滲流計(jì)算分析。在Autobank軟件的滲流分析中,首先定義材料表,見表1。

表1 Autobank軟件中大壩材料定義

表1中,kx表示X軸方向的滲透系數(shù),ky表示Y方向的滲透系數(shù)。此外,經(jīng)過材料定義繪制大壩的斷面圖,同時(shí)在斷面劃分中為每個(gè)土層區(qū)域選擇合適的材料。然后,繪制出分水嶺水庫在Autobank軟件中的斷面網(wǎng)格圖,利用網(wǎng)格圖來判斷大壩滲流情況。

在石窟大壩滲流分析中,對(duì)于穩(wěn)定滲流,符合達(dá)西定律的非均各向異性二維滲流場(chǎng),水頭勢(shì)函數(shù)滿足微分方程,公式如下:

(1)

式中:φ為待求水頭勢(shì)函數(shù);x、y為平面坐標(biāo);kx為X軸方向的滲透系數(shù);ky為Y方向的滲透系數(shù)[9]。

將滲流場(chǎng)用有限元離散,假定單元滲流場(chǎng)的水頭函數(shù)勢(shì)φ為多項(xiàng)式,由微分方程及邊界條件確定問題的變分形式,可導(dǎo)出線性方程組,公式如下:

[H]{φ}=[F]

(2)

式中:[H]為滲透矩陣;{φ}為滲流場(chǎng)水頭;[F]為節(jié)點(diǎn)滲流量。

通過線性方程組的求解,可以得到水庫大壩的節(jié)點(diǎn)水頭,以此可計(jì)算出單元的水力坡降等物理量。對(duì)于非穩(wěn)定滲流,需要根據(jù)設(shè)定的給水度值定義非穩(wěn)定滲流邊界,并求解得到不同水位下的水頭、滲透比降等物理量[10-11]。至此,可以建立基于Autobank軟件的水庫大壩穩(wěn)定滲流分析模型。

2 水庫大壩穩(wěn)定滲流分析

為了進(jìn)一步加固分水嶺水庫大壩,研究選擇Autobank軟件進(jìn)行穩(wěn)定滲流分析,并構(gòu)建水庫大壩滲流分析模型。為了確定Autobank軟件中水庫大壩滲流分析模型的構(gòu)建有效性,其有限元網(wǎng)格見圖2。

圖2 分水嶺水庫大壩的有限元網(wǎng)格

由圖2可知,在滲流分析模型設(shè)計(jì)中,將正常蓄水位設(shè)置為48.50m,將施工期水位設(shè)置為38.50m,將死水位設(shè)置為41m,將設(shè)計(jì)洪水位設(shè)置為50.22m,將校核洪水位設(shè)置為51.04m。在有限元網(wǎng)格分析后,為了進(jìn)一步了解水庫大壩滲流分析模型的可行性,研究提出對(duì)比實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果見圖3。

圖3 滲流分析模型與實(shí)際值的擬合程度分析

由圖3(a)可以看出,計(jì)算值與實(shí)際值之間的曲線變化趨勢(shì)呈現(xiàn)一致性。其中,分水嶺水庫的滲流量最大值為12.10m3/h,最小值為5.02m3/h;計(jì)算值與實(shí)際值的最大誤差為0.12m3/h,最小誤差為0.01m3/h,兩者的擬合值R=0.872。

由圖3(b)可以看出,在水庫水位分析中,分水嶺水庫的最大水位為51.04m,最小水位為48.5m;模型計(jì)算值與實(shí)際值差異不明顯,最大誤差值為0.07m,實(shí)際值與計(jì)算值的擬合值為0.907。

以上結(jié)果表明,研究所構(gòu)建的基于Autobank軟件的水庫大壩穩(wěn)定滲流分析模型具有可行性,能夠計(jì)算得到大壩的實(shí)際滲流結(jié)果?；诖?進(jìn)一步分析不同工況下的分水嶺水庫大壩滲流,結(jié)果見表2。

表2 不同工況下的分水嶺水庫大壩滲流分析

由表2可知,在校核洪水位為51.04m時(shí),大壩的滲流量最大,達(dá)到306.315m3/d;該工況下的出逸點(diǎn)高程也最大,達(dá)到31.06m。

利用Autobank軟件的水庫大壩穩(wěn)定滲流分析模型進(jìn)行水庫大壩的穩(wěn)定性分析,并將運(yùn)用條件分為正常、非常Ⅰ、非常Ⅱ。其中,非常Ⅰ表示非正常情況;非常Ⅱ表示極端非正常情況,即遇地震。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 不同工況下的分水嶺水庫大壩安全系數(shù)

由表3可知,在上游坡正常和非常Ⅰ運(yùn)用條件中,不同工況下安全系數(shù)計(jì)算值均處于規(guī)范允許的范圍內(nèi),即不同工況下的大壩穩(wěn)定性較好。在非常II運(yùn)用條件中,在死水位為41.00m、下游無水時(shí),壩體遭遇7級(jí)地震,導(dǎo)致其原斷面和截滲后的安全系數(shù)低于規(guī)范允許值。表明在地震條件下,水庫大壩壩體會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。在下游坡中,在不同運(yùn)用條件中的工況穩(wěn)定性計(jì)算值均處于規(guī)范允許范圍內(nèi),表明下游坡壩體能夠始終保持穩(wěn)定滲流。

通過滲流分析結(jié)果進(jìn)行水庫大壩加固模擬,進(jìn)而確定分水嶺水庫大壩加固方向。研究認(rèn)為,該大壩受地震影響嚴(yán)重,高級(jí)別地震會(huì)顯著增加其滲透性,并降低安全系數(shù)。為此,在大壩的防滲加固處理模擬中,研究考慮不同級(jí)別的地震影響,并分析不同級(jí)別下的水庫大壩滲流和永久位移變化,結(jié)果見圖4。

圖4 大壩加固效果模擬

由圖4(a)可以看出,隨著地震級(jí)別的增加,大壩的滲流量最大值也隨著增大。但當(dāng)?shù)卣馂?級(jí)時(shí),最大滲流量為3.17m3/d,仍然處于可允許范圍內(nèi)。由圖4(b)可以看出,隨著時(shí)間和地震級(jí)別的增加,水庫大壩的永久位移呈現(xiàn)不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。當(dāng)?shù)卣鸺?jí)別為8級(jí)時(shí),最大永久位移量達(dá)到87.61mm。

以上結(jié)果表明,通過Autobank軟件來模擬分水嶺水庫大壩加固后的穩(wěn)定滲流變化具有可行性,能夠得到大壩的滲流量和永久位移變化,可為大壩的后期加固和修復(fù)提供技術(shù)支持。

3 結(jié) 論

本文基于Autobank軟件,建立了水庫大壩穩(wěn)定滲流分析模型,并以分水嶺水庫為研究對(duì)象進(jìn)行了參數(shù)設(shè)置。結(jié)果顯示,研究所構(gòu)建的滲流分析模型的計(jì)算值與實(shí)際值之間的擬合值最大為0.907;滲流分析中,分水嶺水庫的最大滲流量為306.315m3/d;水庫的上游坡在地震條件下的安全系數(shù)低于允許值;在模擬中顯示,研究提出的加固方案能夠降低大壩滲流量和永久位移量。結(jié)果表明,Autobank軟件可對(duì)分水嶺水庫大壩進(jìn)行穩(wěn)定滲流分析。