基于ANSYS的冲抓回填土石坝渗流特性分析及数值模拟

贺玉珍

(甘肃省临夏州水电局河道管理站，甘肃 临夏 731100)

随着西部大开发战略和“一带一路”倡仪的相继推进，我国水库建设工程快速发展，对国民经济建设和农业发展具有重要的作用，同时对农业灌溉、水力发电起到了重要的保障作用。然而这些水库大坝在经历几十年之后会出现老化等问题，特别是20世纪50～70年代修建的土石坝等。因此研究土石坝的治理对坝体安全具有重要的意义。目前已经有许多学者针对这一问题进行了研究，并取得了一定的成果。张文倬等[1]分析了土石坝渗流等相关激励原则，并且介绍了相关的治理方法。纪伟[2]分析了土石坝的特点，从坝体内外原因出发，提出了初步的治理措施，为土石坝治理工作提供了一定的参考。黄胜方[3]分析了土石坝产生危害的类型和原因，分析了裂缝、滑坡等破坏特征产生的原因，提出了综合智力的方法。陈军[4]对土石坝进行渗流仿真，研究了渗流产生的原因。李树枫、孙志明、郭卫华、曹国庆、赵永刚[5- 9]等学者也对土石坝的老化原因，加固措施进行了一定的研究。马海兵[10]通过有限元软件对坝体渗流进行了分析，并提出了加固方法。

1 基于ANSYS的土石坝渗流计算原理

本文基于ANSYS的渗流计算模块对冲抓回填土石坝进行渗流计算，通过理论、微分方程和解析解三个方面说明ANSYS渗流场计算理论介绍，以说明采用ANSYS进行计算的合理性。

1.1 渗流场基本理论

根据达西定律可知，对于多孔介质渗流满足以下方程：

(1)

式中，v—平均流量；Qs—渗流量；ks—深流系数；J—坡降，A—断面的面积。

1.2 渗流场微分方程

对于不可压缩各向异性非均质稳定渗流微分方程：

(2)

对于可压缩各向异性非均质稳定渗流瞬态微分方程：

(3)

式中，h—测压水头；ksx—x方向的渗流系数；ksy—y方向的深流系数；ksx—z方向的深流系数；Ss—储存量。

1.3 初始条件与边界条件

渗流场的初始条件：

h|t=t0=h(x，y，z)

(4)

第一类边界条件：

h|Γ1=h(x，y，z，t)

(5)

第二类边界条件：

(6)

式中，hsn—沿边界垂直方向的渗透系数；qs(x，y，z，t)—边界上已知流速；∂h/∂n—渗流场为沿边界垂直方向的梯度值。理论分析是数值模拟的基础，渗流计算理论基础较为完善，通过ANSYS进行渗流计算模拟也较为成熟。

2 冲抓回填处理土坝渗漏施工设计

2.1 冲抓回填处理渗漏特点

(1)工程量小，节省资源。与使用诸如倾斜墙、止墙或挖掘挖泥机这些防渗技术相比，上游回填技术仅需要一排或两排井，回填工作量小，同时大坝建成之后，大坝周围土体等材料相对匮乏，因此采用更节省资源的抗渗技术具有重要意义。

(2)施工周期短，进度快。冲抓机需要配备的施工人员每组11～19人。只要提前组织得当，对于中小型大坝的冲抓回填需要很短的周期即可完成。

(3)施工工序同时进行，施工器械简单。前期施工打套井时，即可同时进行地质勘查，进而合理的设计深度、厚度。冲抓机设备简单，上手快，容易维修，对于施工人员具有很大的优势。

2.2 施工设计

冲抓回填施工工艺流程图如图1所示。

图1 施工公艺流程图

2.2.1 孔位布置，造孔施工

首先对坝体顶高等信息进行勘察，按照设计单位给定的坝体水准点和设计图纸进行孔位布置，在位于套井左右两侧各10m处设置固定桩。造孔施工时必须按照施工图纸施工，冲抓装机必须与中心桩对准，在施工过程中要时常检查成孔垂直度，误差应该控制在3‰内，冲抓出来的土方，可以就近在下游坡进行利用。

2.2.2 回填夯实

在库内滩地挖取黏土料，制作水泥掺入量为5%的水泥土。打井完毕后，应立即连续进行分层回填夯实。回填土前首先检测施工土料的含水量，工地试验室测试后以书面通知施工现场质检员，由监理确定是否回填。夯土时要分层夯实，夯锤击数20～25次。夯击在落锤时，要保持几秒钟的稳定时间，以免造成夯锤碰撞孔壁，降低夯击功能。回填土的含水量，虚土层厚度，锤击次数等。

3 冲挖回填对土石坝渗透性影响实例分析

3.1 计算模型

某土石坝主坝为均质坝，坝顶高160m，最大坝高21m。坝顶宽约5.8m，坝顶轴线长65m。水库正常蓄水位155m，设计洪水位156m，死水位138m。坝体模型如图2所示，有限元模型网格采用三角形单元，共划分66784个单元坝体，采用邓肯-张本构模型，其他位置选用弹性本构模型，计算采用参数见表1、2。

图2 坝体计算模型

材料ρφKnGD粘土心墙2.10251500.430.416塑型土2.15201000.40.382反滤料2.25457800.50.77主堆石料3.33608900.70.410

3.2 计算工况

根据SL274- 2001《碾压式土石坝设计规范》，确定以下6种工况作为本次计算的典型工况。

表2 计算工况

3.3 计算结果

通过提取ANSYS计算结果，提取各工况下最大渗流速度、单宽渗流量、平均渗流坡降、渗流溢出点高程和渗透比降计算，计算结果见表3。

表3 渗流计算结果

(1)最大渗流速度

由表3可知，土石坝加固前后，最大渗流速度分别减小了96.77%、96.53%、96.4%。通过分析说明，冲抓回填加固后土石坝的渗流速度具有很大程度的降低，表明冲抓回填加固对控制渗流速度起到很重要的作用。

(2)单宽渗流量

由表3可知，土石坝加固前后单宽渗流量分别减小了72.69%、73.23%、71.74%。通过以上分析可知，冲抓回填加固后，土石坝的单宽渗流量有了大幅度的降低，表明冲抓回填对于控制土石坝的渗流量有重要的作用。

(3)最大平均渗透坡降

由表3可知，通过加固，最大平均渗透坡降加固后比加固前有了相当大程度的提升，主要是加固后土石坝的防渗能力增强，防渗效果明显提升，致使防渗墙的浸润线下降明显，从而导致最大平均渗透坡降急剧增加。

(4)溢出点高程

由表3可知，加固前和加固后土石坝在三种工况下溢出点高程，分别下降5.8m、9.15m、9.68m，加固前渗流溢出点高于贴坡排水顶部，渗流对大坝下游边坡稳定性影响较大，加固后溢出点高程降低，对下游边坡稳定性影响小于对加固前边坡稳定性的影响，说明冲抓回填加固对下游边坡稳定具有很重要的作用。

(5)溢出点渗透比降

由表3可知，加固前后渗透比降分别下降89.70%、93.20%、84.07%。渗透比降作为一种校核下游坝坡稳定性的重要指标，通过以上分析可知，加固后溢出点渗透比降大幅度降低，说明采用冲抓回填加固对土石坝渗透坡降降低效果降低明显，能明显相抵渗透比降。

(6)坝体抗滑稳定性分析

大坝抗滑稳定安全系数与设计值见表4。

表4 各工况下大坝安全系数

根据规范，坝体在正常运转情况下，安全系数应该不小于1.25，特殊工况下安全系数不应小于1.15。通过计算可知，各种工况下的最小安全系数均满足规范要求，此种施工加固方法是合理的，坝坡不会发生失稳。

4 结论

(1)利用ANSYS的渗流模块对冲抓回填加固前后的土石坝进行渗流模拟分析，计算结果表明：采用冲抓回填加固对土石坝渗流具有很好的控制作用，对于土石坝的除险加固具有积极作用。

(2)冲抓回填加固后，土石坝的最大渗流速度、单宽渗流量、溢出点高程、溢出点渗透比降，均有较大程度的下降，表明冲抓回填加固对土石坝渗流控制具有重要作用。

(3)冲抓回填加固后，土石坝的最大平均渗透坡降急剧上升，从而表明土石坝的浸润线急剧下降，对于土石坝的安全具有重要作用。