基于數(shù)值模擬的堤壩滲流和位移分析

李沛沛，郭金林，呂丹寧

(威海市水文中心，山東 威海 264009)

1 概 述

在水利工程中，堤壩工程的作用十分重要，對(duì)此學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究。李向陽等[1]利用COMSOL對(duì)土石堤壩的滲流場進(jìn)行了研究，結(jié)果表明土體破壞后，土體的電阻率會(huì)有明顯變化，通過土體電阻率的變化可對(duì)土石堤壩的滲漏進(jìn)行判斷。朱峻[2]對(duì)土工膜在堤壩防滲層中的防滲效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明土工膜密封系統(tǒng)增加了通過壩基的流動(dòng)路徑，使進(jìn)入大壩的孔隙壓力較低，進(jìn)而達(dá)到防滲的要求。劉俊誼等[3]通過數(shù)值模擬對(duì)裝配式堵口裝置的封堵效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明堵口裝置的布置方式，對(duì)于封堵水流的效果有不同的影響。武慧芳等[4]研究了高強(qiáng)度塑鋼板樁在堤壩邊坡的支護(hù)效果，結(jié)果表明塑鋼板樁若貫穿滑動(dòng)區(qū)，則能夠有效地對(duì)堤壩進(jìn)行支護(hù)。蔣曉君等[5]對(duì)地震作用下堤壩邊坡的防滲效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明地震作用下浸潤線會(huì)發(fā)生一定變化，導(dǎo)致邊坡的穩(wěn)定性降低。伍明兆等[6]對(duì)堤壩的瞬態(tài)滲流進(jìn)行了研究，結(jié)果表明堤基、堤身和岸坡是堤壩的防滲重點(diǎn)區(qū)域。劉華等[7]對(duì)堤壩土體內(nèi)部孔隙的滲流效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明土體的孔隙率越小，孔隙通道連通性越好，對(duì)應(yīng)的滲流流速越大，孔隙率與滲流流速呈反比例變化關(guān)系。趙丹[8]對(duì)不同工況條件下的堤壩穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明逐級(jí)支護(hù)工況下堤壩的穩(wěn)定性效果最佳。

以上研究均未涉及堤壩的位移分析。因此，本文結(jié)合MIDAS GTS數(shù)值模擬軟件，對(duì)堤壩的滲流、位移和塑性區(qū)進(jìn)行綜合分析，以便對(duì)堤壩工程進(jìn)行較為全面的評(píng)估。

2 工程概況

某水庫大壩控制徑流面積5 km2。水庫原設(shè)計(jì)總庫容約300×103m3，水庫主要為周邊灌區(qū)供水水源，排灌干渠渠道全長11.49 km。堤壩主要由壩體、心墻、反濾層組成，堤壩建于基巖上，堤壩長100m、寬150m、高30m(圖1)，堤壩的物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

圖1 堤壩三維實(shí)體圖

表1 堤壩物理力學(xué)性質(zhì)

3 數(shù)值模擬

3.1 模型參數(shù)

對(duì)堤壩材料進(jìn)一步提取滲透條件下的力學(xué)參數(shù)，心墻的飽和容重為21 kN·m-3，滲透參數(shù)kx、ky和kz均為1.92×10-5m/s，黏聚力為30kPa，內(nèi)摩擦角為35°。反濾層的飽和容重為22 kN·m-3，滲透參數(shù)kx、ky和kz均為1.0×10-4m/s，內(nèi)摩擦角33°。壩體的飽和容重為22 kN·m-3，滲透參數(shù)kx、ky和kz均為1.5×10-2m/s，內(nèi)摩擦角39°?；鶐r的飽和容重為23 kN·m-3，滲透參數(shù)kx、ky和kz均為1.2×10-5m/s，內(nèi)摩擦角43°。

3.2 模擬步驟

建立模型，并對(duì)心墻、反濾層、壩體和基巖賦與參數(shù)。對(duì)壩體賦與初始水位20m水位值，再賦與72s時(shí)間段內(nèi)5m的水位值，最后賦與100s時(shí)間段內(nèi)5m的水位值，當(dāng)水位值穩(wěn)定在5m時(shí)，可認(rèn)為壩體處于滲流穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)壩體水位值賦與完成后，對(duì)壩體實(shí)現(xiàn)滲流初始階段、瞬時(shí)階段和穩(wěn)定階段的建模。數(shù)值模擬計(jì)算至模型穩(wěn)定時(shí)截止。

3.3 隧道開挖后位移

數(shù)值模擬計(jì)算完成后，壩體的位移見圖2。

圖2(a)中，大壩在施加滲透水壓后，最大壓力水頭值為47.1m，主要集中在壩體右側(cè)底部，該區(qū)域占整個(gè)壩體的0.6%，超過30m壓力水頭的區(qū)域占整個(gè)大壩約2.4%。由該比例數(shù)值可知，壓力水頭并沒有發(fā)生集中現(xiàn)象，不會(huì)對(duì)大壩的安全造成不良影響。壩體左側(cè)壓力水頭值為負(fù)，最大值為21.1 m，說明該區(qū)域?yàn)橐缌髅妫M結(jié)果與實(shí)際工程相符。

圖2(b)中，總水頭最大值為15.4 m，超過10 m水頭的區(qū)域主要集中于右側(cè)壩頂處，該區(qū)域占整個(gè)壩體的27%；最大負(fù)水頭值為26.1 m，超過10 m的負(fù)水頭區(qū)域約占整個(gè)壩體的24%，該區(qū)域主要集中在壩體左側(cè)底部區(qū)域。以上總水頭數(shù)值及所占區(qū)域與實(shí)際工程一致，且均在工程允許的范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)壩體工程造成不良影響。

圖2(c)中，水頭流量值范圍為2.23×10-4～8.31×10-3m/hr，流量值分布在整個(gè)壩體范圍內(nèi)，分布較為均勻，且流量值也控制在合理的范圍內(nèi)。

圖2 大壩流量分析

由圖2可知，滲流作用下水壩的壓力水頭、總消減和水頭流量值與實(shí)際相符，且均控制在工程允許的范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)壩體的安全造成隱患。

3.4 基坑開挖后受力

基坑開挖后，錨桿和圍護(hù)樁所受應(yīng)力見圖3。

圖3 壩體的位移

圖3(a)中，最大水平位移主要集中于壩頂處，數(shù)值為13mm，超過10mm的區(qū)域約占整個(gè)壩體的14%，說明水平位移并沒有發(fā)生位移集中，且以上數(shù)值均小于壩體的預(yù)警值20mm，從水平位移角度分析，壩體的建設(shè)滿足工程要求。

圖3(b)中，最大總位移主要集中于壩頂處，數(shù)值為15mm，超過10mm的區(qū)域約占整個(gè)壩體的16%，說明總位移并沒有發(fā)生位移集中，且以上數(shù)值均小于壩體的預(yù)警值20mm，從總位移角度分析，壩體的建設(shè)滿足工程要求。

由圖3可知，壩體的水平位移與總位移數(shù)值接近，發(fā)生位移區(qū)域也接近，說明壩體的位移主要為水平位移。另一方面，壩體的水平位移和總位移值均不超過20mm，從位移的角度上分析，壩體的建設(shè)滿足工程要求。

壩體建成后的塑性區(qū)見圖4。由圖4可知，塑性區(qū)主要集中于心形墻右側(cè)區(qū)域，但塑性區(qū)沒有貫通，壩體的滑動(dòng)面并沒有生成，說明壩體的設(shè)計(jì)滿足工程要求。后期若需要對(duì)壩體進(jìn)行監(jiān)測，心形墻右側(cè)區(qū)域是監(jiān)測的重點(diǎn)。另外，由圖4可知，壩體右側(cè)將是后期防護(hù)的重點(diǎn)。

圖4 壩體的塑性區(qū)

4 結(jié) 論

本文利用MIDAS GTS對(duì)堤壩進(jìn)行數(shù)值模擬研究，結(jié)論如下：

1)堤壩最大壓力水頭值為47.1m，該水頭區(qū)域主要集中在壩體右側(cè)底部，沒有發(fā)生水頭集中現(xiàn)象；最大負(fù)水頭值為26.1 m，超過10m的負(fù)水頭區(qū)域約占整個(gè)壩體的24%，該區(qū)域主要集中在壩體左側(cè)底部區(qū)域，以上結(jié)果與實(shí)際工程相符。

2)水頭邊界產(chǎn)生的流量值范圍2.23×10-4～8.31×10-3m/hr，流量值分布在整個(gè)壩體范圍內(nèi)，流量分布較為均勻，且流量值也控制在合理的范圍內(nèi)。

3)壩體的最大水平位移主要集中于壩頂處，數(shù)值為13mm；壩體的最大總位移同樣也主要集中于壩頂處，數(shù)值為15mm；壩體的水平位移和總位移值均不超過20mm，從位移的角度上分析，壩體的建設(shè)滿足工程要求。

4)壩體塑性區(qū)主要集中于心形墻右側(cè)區(qū)域，但塑性區(qū)沒有貫通，壩體的滑動(dòng)面并沒有生成，說明壩體的設(shè)計(jì)滿足工程要求。后期若需要對(duì)壩體進(jìn)行監(jiān)測，心形墻右側(cè)區(qū)域是監(jiān)測的重點(diǎn)。