基于ANSYS的大伙房水庫土壩滲透系數(shù)反演

佟曉娜

(遼寧省大伙房水庫管理局，遼寧撫順 113007)

1 概述

由于大壩邊界條件的復(fù)雜性和壩體、壩基滲流的非均勻性，用滲流基本方程計算成果難以與大壩實際運行情況相一致，因此有必要通過滲流監(jiān)測資料反演其滲透系數(shù)。即在滲流資料分析基礎(chǔ)上，選取一段庫水位相對穩(wěn)定時間的大壩滲流監(jiān)測資料，開展大壩穩(wěn)定滲流反演分析。本文根據(jù)溫度場和滲流場的相似性，利用有限元分析軟件ANSYS的熱分析功能計算土石壩滲流問題，通過ANSYS的優(yōu)化設(shè)計功能，建立了基于ANSYS的滲透系數(shù)反演模型，反演得到大壩穩(wěn)定滲流后的心墻料的滲透系數(shù)。

2 工程概況

大伙房水庫是我國“一五”期間修建的重點水利工程，具有防洪、供水、灌溉、養(yǎng)魚、發(fā)電等多種功能，是新中國成立后我國第一座自行設(shè)計、自行施工的大型水利樞紐工程。

水庫主壩為碾壓式黏土心墻壩，心墻頂部寬度為2.25 m，心墻底部寬度為15.0 m，心墻頂部高程為136.8 m。黏土心墻底部為混凝土截水墻，底座寬1.0 m，墻底寬0.7 m，頂寬0.5 m，墻身高2.0 m。壩頂寬8 m;壩頂高程139.8 m，防浪墻頂部高程141.0 m。

3 穩(wěn)態(tài)溫度場與穩(wěn)定滲流場的相似性

土石壩滲流基本微分控制方程如下:

式中:H為總滲透水頭;kx，ky，kz為以 x，y，z軸為主方向的滲透系數(shù);μs=ρg(α+nβ)為單位貯水量或貯存率。

穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)基本微分控制方程如下:

式中:T 為溫度;kx，ky，kz為以 x，y，z軸為主方向的介質(zhì)熱傳導(dǎo)率;ρQ是熱容量。

通過式(1)與式(2)比較可以看出，土體滲流問題與溫度場問題的控制方程非常相似，只需要將溫度場介質(zhì)換成土體介質(zhì)，相應(yīng)的參數(shù)換為求解滲流場的參數(shù)，因此溫度場和滲流場是相似的。值得注意的是，當滲流變?yōu)榉€(wěn)定滲流時，則單位貯水量μs=0，而令穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)時的Q=0時，則土石壩穩(wěn)定滲流基本微分方程與穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程完全一致，參數(shù)及邊界條件相互對應(yīng)，為應(yīng)用ANSYS熱分析模塊進行滲流場分析奠定了基礎(chǔ)。

4 原始資料選取

選取水庫主壩設(shè)有心墻測壓管的0+500斷面對大伙房水庫大壩心墻滲透系數(shù)進行反演，該斷面測壓管經(jīng)工程多年運行實踐表明，滲流狀態(tài)比較穩(wěn)定，沒有堵塞與不靈敏等現(xiàn)象，個別異常數(shù)據(jù)進行剔除或調(diào)整后，監(jiān)測數(shù)據(jù)可以用于分析使用。為了正確反映大壩滲流的實際情況，選取2006年至2009年所觀測的平均上游水位(125.09 m)進行正分析計算，監(jiān)測資料選取其所對應(yīng)的測壓管水位值。

所選0+500斷面測壓管布置圖見圖1所示，測壓管水頭數(shù)據(jù)見表1。

圖1 滲流監(jiān)測點布置圖

表1 斷面的測壓管實測水位值

采用間接法計算，預(yù)先假定滲流場各個分區(qū)材料的滲透系數(shù)。土壩中部分分區(qū)材料的滲透系數(shù)比較穩(wěn)定，與設(shè)計時出入不大，對這些區(qū)域無需進行反演，計算時直接采用設(shè)計值。正分析計算中其它分區(qū)滲透系數(shù)取設(shè)計值，見表2所示，而僅對黏土心墻的滲透系數(shù)進行反演。

表2 滲透系數(shù)分區(qū)表

根據(jù)流量守恒原理可知，各材料分區(qū)滿足一定比例的任意滲透系數(shù)都能適應(yīng)給定的水頭函數(shù)，故反求得出的滲透系數(shù)的絕對值是任意的，但本次計算中假定某些滲透系數(shù)為已知值，所以反演結(jié)果是唯一的。

5 反演斷面有限元模型

取壩段上游水位以下的壩體表面、壩基側(cè)面、壩段下游水位以下壩體表面、壩基側(cè)面為第一類邊界(定水頭邊界)，大壩壩基的上下游側(cè)面、底邊界為第二類邊界(無流量交換)，壩段上游水位以下的壩體表面及壩基下游表面為第一類邊界(定水頭邊界)。整個模型共劃分3 652個節(jié)點，3 471個單元，見圖2。

圖2 0+500斷面分區(qū)圖

圖3 0+500斷面單元劃分圖

6 反演結(jié)果及分析

設(shè)定黏土心墻滲透系數(shù)初始值為1.7×10－8cm/s，利用ANSYS優(yōu)化設(shè)計方法得到的反演結(jié)果見表3。取黏土心墻滲透系數(shù)目標函數(shù)最優(yōu)反演值k=1.36×10－8cm/s對壩體0+500斷面進行二維穩(wěn)定滲流有限元計算，提取該斷面測壓管所在位置的計算值與實測值對比見表4。

表3 黏土心墻滲透系數(shù)優(yōu)化反演結(jié)果

表4 測壓管水位計算值與實測值對比(上游水位125.09m)

計算值與實測值的對比表明，有限元計算值與實測值相對誤差較小，擬合結(jié)果能夠滿足精度要求。同時，也表明所求得的滲透系數(shù)比較合理，可以用于滲流數(shù)值計算。

綜上可見，使用ANSYS優(yōu)化模塊進行滲透系數(shù)反演分析，計算過程簡潔，計算速度較快。但是，當初始值作較大變動時，得到的優(yōu)化值亦會有較大的變動，這與反演時所參照的監(jiān)測點個數(shù)有關(guān)，增加監(jiān)測點個數(shù)可將反演參數(shù)約束在一個較穩(wěn)定的范圍。

7 基于ANSYS方法的模型可靠性論證

為了驗證反演的力學(xué)參數(shù)是否正確，再次采用正分析方法把反分析出的參數(shù)值代入到ANSYS所建立的模型中進行計算，在上游水位為正常蓄水位、防洪限制水位2種不同工況下，對有限元模型進行計算。計算成果見表5。

計算工況 正常蓄水位 防洪限制水位心墻逸出點高程/m 92.51 91.98心墻出逸滲透坡降 4.024 3.268心墻平均滲透坡降 4.031 3.275下游壩坡逸出點高程/m 90.01 90.45下游壩坡出逸坡降 0.0036 0.010壩體滲流量L/s 2.1*10－8 1.5*10－8

提取測壓管所在結(jié)點滲壓值與實測管水位進行對比，對比結(jié)果見表6。由表6可見，滲壓計算值比實測值稍小，這可能是因為在計算時未考慮地下水位對滲流的影響，數(shù)值計算結(jié)果與實測值相對誤差較小。

表6 0+500斷面滲壓計算值與實測值對比

8 結(jié)語

綜上可見，使用ANSYS優(yōu)化模塊進行滲透系數(shù)反演分析，計算過程簡潔，計算速度較快。但是，當初始值作較大變動時，得到的優(yōu)化值亦會有較大的變動，這與反演時所參照的監(jiān)測點個數(shù)有關(guān)，增加監(jiān)測點個數(shù)可將反演參數(shù)約束在一個較穩(wěn)定的范圍。利用ANSYS的優(yōu)化設(shè)計功能，反演得到更符合大伙房水庫大壩實際工況的滲透系數(shù)，利用這個滲透系數(shù)進行滲流數(shù)值計算，通過對計算值與實測值的對比表明，有限元計算值與實測值相對誤差較小，擬合結(jié)果能夠滿足精度要求。說明所求得的滲透系數(shù)比較合理，可以用于滲流數(shù)值計算。

［1］王俊，劉進寶，韓劍，等.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的混凝土大壩滲透系數(shù)反演［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報，2003，24(3):9－12.

［2］劉先珊，費文平，張林.一種大壩滲透系數(shù)分區(qū)反演新方法研究［J］.巖土力學(xué)，2004(11):25.

［3］周志芳，朱學(xué)愚.確定巖體滲透參數(shù)的結(jié)構(gòu)面控制反演法［J］.南京大學(xué)學(xué)報，1999，35(3):316 －321.