有限元法在土石壩滲流穩(wěn)定分析中的運(yùn)用

王 鑫趙才全梁 軍

有限元法在土石壩滲流穩(wěn)定分析中的運(yùn)用

王 鑫1趙才全2梁 軍1

一、引言

土石壩的滲流是一個(gè)比較復(fù)雜的空間問題，但在工程設(shè)計(jì)中常將其簡化為平面問題處理。土石壩滲流計(jì)算方法主要有解析法、手繪流網(wǎng)法、實(shí)驗(yàn)法和有限元法等。解析法分流體力學(xué)法和水力學(xué)法，前者立論嚴(yán)謹(jǐn)，但只能用于某些邊界條件較為簡單的情況；水力學(xué)法計(jì)算簡易，精度可滿足工程要求，得到了廣泛的應(yīng)用。手繪法是一種簡單易行的方法，能夠求滲流場內(nèi)任一點(diǎn)滲流要素，并具有一定的精度，但在滲流場內(nèi)具有不同土質(zhì)，且其滲透系數(shù)差別較大的情況下較難應(yīng)用。遇到復(fù)雜地基或多種土質(zhì)壩，可用電模擬實(shí)驗(yàn)法，它能解決三向問題，但需一定設(shè)備，且費(fèi)時(shí)較長。近年來，有限元法在土石壩滲流分析中得到了廣泛應(yīng)用，此種方法可以計(jì)算非穩(wěn)定滲流和較復(fù)雜的滲流問題。本文擬采用有限元軟件（AutoBANK）對淮安市桂五水庫大壩滲流穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算分析，為進(jìn)一步制定水庫大壩除險(xiǎn)加固措施提供滲流穩(wěn)定分析理論依據(jù)。

二、工程概況

桂五水庫位于淮安市盱眙縣西南山丘區(qū)，匯水面積36.20km2，總庫容2620萬m3，興利庫容1671萬m3，是一座以防洪、灌溉為主，結(jié)合水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用的中型水庫。

水庫大壩為均質(zhì)土壩，長850m，頂寬8.00m（含擋浪墻寬），壩頂高程63.10m，最大壩高21.00m，擋浪墻頂高程63.60m。迎水面坡比為1∶3.0，漿砌塊石護(hù)坡樁號0+000～0+800，高程57.24～62.25m。背水面設(shè)一級戧臺(tái)，頂寬14.00m，頂高程59.00m，戧臺(tái)上下坡比均為1∶2.5，戧臺(tái)內(nèi)有清水壩干渠輸水箱涵，斷面為2.25 m× 2.25m（長×寬）。

三、大壩滲流性態(tài)現(xiàn)狀分析

桂五水庫大壩經(jīng)數(shù)次加高培厚筑成，因當(dāng)時(shí)施工工藝條件差等原因，壩身填土碾壓質(zhì)量參差不齊。通過現(xiàn)場檢查和走訪有關(guān)人員，得知大壩滲流性態(tài)現(xiàn)狀存在以下問題：

（1）大壩壩體內(nèi)埋設(shè)的測壓管已堵塞損壞，失去作用。

（2）大壩壩身滲水量較大，背水坡排水暗管堵塞，不能正常排滲，排水溝長度不足，水流沖刷壩坡面，壩后有深塘。背水坡樁號0+270～0+750滲水，以樁號0+300～0+700最為嚴(yán)重，經(jīng)測量當(dāng)水庫水位達(dá)60.0m時(shí)，滲水量25.2m3/s，日滲水量604.8m3，出逸點(diǎn)高程51.65m，且有逐年有上升的趨勢。

四、大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算

為了對桂五水庫現(xiàn)狀大壩滲流安全進(jìn)行評價(jià)，根據(jù)水位情況，考慮其遭遇的可能性和產(chǎn)生滲流破壞的可能，選擇對1/3壩高水位、正常蓄水位、設(shè)計(jì)水位、水位降落期水位下的大壩滲流穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

本次滲流計(jì)算選擇了滲水較為嚴(yán)重的壩段斷面（樁號0+700）進(jìn)行計(jì)算，主要計(jì)算單寬滲流量、出逸坡降等。

1.計(jì)算方法

采用由河海大學(xué)研制的軟件（AutoBANK），軟件內(nèi)部采用有限元技術(shù)，首先對桂五水庫大壩0+700斷面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后對穩(wěn)定滲流場進(jìn)行分析輸出計(jì)算斷面的滲流量、水力坡降等。

2.基本資料

（1）計(jì)算工況

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274-2001）的規(guī)定，結(jié)合桂五水庫的具體情況，滲流分析計(jì)算包括以下幾種工況，詳見表1。

表1 滲流穩(wěn)定計(jì)算工況表

（2）地質(zhì)參數(shù)

滲流穩(wěn)定分析地質(zhì)資料采用成果見表2。

表2 滲流穩(wěn)定分析地質(zhì)資料采用表

（3）土的滲透坡降允許值計(jì)算

由該工程土質(zhì)資料分析僅1-1、1-2土層有可能發(fā)生滲透破壞，參考土樣試驗(yàn)報(bào)告，首先將試驗(yàn)得到的土料的孔隙比換算為孔隙率，然后采用《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50287-99）附錄M中的計(jì)算方法求這兩層土的允許水力坡降。

根據(jù)土料顆粒分析統(tǒng)計(jì)可知

式中：Pc為土的細(xì)顆粒含量，以質(zhì)量百分率計(jì)；

n為土的孔隙率。

由此可見，土料不均勻系數(shù)小于5.0，細(xì)粒含量大于35%，故其滲透變形破壞為流土型。

土的滲透變形判別如表3所示：由式（1）計(jì)算得到土料1-1、1-2的臨界水力坡降分別為0.935與0.951，由于流土破壞為整體性破壞，對大壩危害較大，故允許的滲透坡降安全系數(shù)取2.0，土料1-1、1-2的允許水力坡降分別為0.468 與0.475。

3.計(jì)算結(jié)果

壩體滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果詳見表3。

表3 滲流穩(wěn)定成果表

4.結(jié)果分析

桂五水庫工程始建于20世紀(jì)五六十年代，施工斷斷續(xù)續(xù)，由于當(dāng)時(shí)的歷史條件限制和工程技術(shù)水平的制約，嚴(yán)重影響了工程施工質(zhì)量。水庫蓄水運(yùn)行后壩體、涵洞多處出現(xiàn)滲漏險(xiǎn)情，后雖經(jīng)局部除險(xiǎn)加固，但經(jīng)過幾十年的運(yùn)行，仍暴露出很多問題，存在較多安全隱患。

桂五水庫最大壩高處斷面在正常、設(shè)計(jì)和校核水位工況下，大壩出逸坡降均大于逸出點(diǎn)處1-2土層滲透變形允許的水力比降0.475。因此，大壩存在滲流破壞危險(xiǎn)。

根據(jù)滲流有限元計(jì)算與大壩實(shí)際滲流性態(tài)分析結(jié)果可知，桂五水庫大壩壩體填筑質(zhì)量差，壩體滲透性大，造成浸潤線高，存在滲透破壞的可能以及影響大壩壩坡抗滑穩(wěn)定性。

五、結(jié)語

有限元法能夠很好的計(jì)算土石壩中非穩(wěn)定滲流和較復(fù)雜的滲流問題。通過比較發(fā)現(xiàn)，大壩滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果與實(shí)測的大壩滲流情況基本吻合，能夠較好地從理論上反應(yīng)出大壩整體滲流情況■

（作者單位：1.淮安市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 223005 2.江蘇省灌溉總渠管理處 223200）

（專欄編輯：張 婷）