基于ANSYS的达坂某水库大坝渗流稳定分析研究

李宏伟

(乌鲁木齐市水利勘测设计院(有限责任公司)，新疆 乌鲁木齐 830001)

经济社会的发展离不开水资源供给，而水库作为区域调配水资源的重大水利枢纽工程，常常投入较大的人力与成本，但不可避免我国各地区存在较多运营周期长、设计指标陈旧、施工标准不达标的水库枢纽工程，其中水库大坝作为承担水库安全稳定的重要水工结构，需要对这些病险水库大坝开展除险加固，防范大坝渗透破坏隐患[1]。已有较多学者针对水库大坝安全设计开展过相关研究，主要利用室内模型试验、数值建模分析、理论反演推导等方法[2-4]，由渗流理论延伸至数值建模计算是一种简单而有效的分析方法，以实际工程资料为建模背景，分析坝体渗流特性，进而评价大坝安全稳定性[5]，帮助了解大坝安全运营周期区间状态，提升对水库大坝等水利工程的安全监测水平。

1 工程概况

某水库位于达坂地区，承担着达坂地区农田灌溉、防洪调度及附近部分乡镇工业用水，总库容超过1000万m3，由于最近几十年代沙漠化治理，水库周边森林覆盖率较高，岸坡水土保持良好。水库坝顶设计高程达205.3 m，长度达145.0 m，坝顶宽7.8 m，根据实测资料表明，该大坝迎水侧与背水测坡度均为1∶2.5，在坝身设计有1.7 m宽平台，处于坝顶下方21.5 m处，坝基周边碎石土较少，清基工作正常开展。依据地质勘察资料表明，该坝址所处基岩为花岗岩，中粗粒结构，岩石完整性较好，在坝基左右两侧坝肩分布白云岩及砂岩；上覆土层主要为第四系沉积土，主要含有黏土与砂土，厚度达6.3 m，土层渗透系数为1.0×10-3cm/s，属弱透水层，在实地调查过程中发现在坝基的右坝肩，距坝顶高程21.5 m处位置，有明显的渗流现象。坝址区域地震活动性较少，活跃断层较少，除可见明显节理发育，并无其他显著地质构造发育。地下水来源主要为花岗岩风化裂隙水及部分潜水，达坂地区常年降雨量较少，大气降水补充地下水匮乏。

该大坝由于建设时间久远，蓄水周期较长，且建设过程中由于原材料缺乏及工期紧张原因，部分坝身材料用料不严谨，如部分坝身土石混合料配比及含水率未达标，造成当前该大坝部分区域出现渗漏问题。另外坝顶面由于设计不规范，路面并未按照一级公路标准施工，造成承受荷载过重，坝顶部分地段发生较大变形，影响坝坡稳定性。为此，水库管理部门对大坝开展病险排查，加固坝坡，在坝身安装监测传感器，重新修筑坝顶路面，并考虑设置防渗墙，确保大坝安全运营。

2 水库坝体渗流场分析

2.1 渗流有限元分析

ANSYS内置温度场分析模块，其热容量微分方程符合下式[6]:

(1)

式中:T指热容量；λx、λy，λz指温度场在各方向上的传热系数；ρQ指存热量。

联系渗流体积分公式的原微分方程，即可得到多孔介质渗流微分方程

(2)

式中：H指水头；kx,ky,kz指各渗流方向上渗透系数；βs指单位存水量；t指时间。

边界条件参照下式转换：

(3)

式中：H(R,t)指某时刻测压水头大小；Г指模型边界长度，φs(R,t)指模型边界长度上的水头大小；ks m指边界上的渗透系数；vs(R,t)指模型边界长度上的流速大小，当边界为不透水层时，vs=0。

联系式(1)、式(2)，并配合边界条件(式3)，从文献[7]可知，渗流场模拟计算参数可对比温度场参数转换，从而获得渗流场模拟分析计算结果。

2.2 水库坝体渗流场分析

(1)建模及划分网格。参照该水库大坝工程概况，在CAD软件中建立大坝三维模型，结合实测资料与模型计算，坝顶高程设计205 m，长度145 m，上下游坡度比进行变坡处理，三个坡度比分别为1∶2.75、1∶2.50、1∶2.25，下游坡度比转换成1∶2.00、1∶2.25、1∶2.00，以不同坝身材料作为原材料，获得大坝三维模型，并导入ANSYS中，获得ANSYS数值模型图(图1)。

图1 数值模型图

依据大坝各区域岩土材料，以8节点六面体作为网格单元，划分大坝数值模型单元体网格，获得178 854个单元体，并给出大坝横断面网格划分图，如图2所示。

图2 网格划分图

(2)施加边界条件。施加边界条件前，笔者假定大坝上下游及基岩层边界均为不可透水层，所有荷载条件均以水头值作为衡量标准，水头以下为荷载边界，且荷载是作用在空间面上，以水库正常蓄水、满蓄水位、试验水位三种工况下分别计算大坝渗流场，三种工况下水库上下游水位如表1所示。图3为典型工况下施加边界条件后数值模型图。

表1 工况上下游水位

图3 施加边界条件后数值模型图

(3)渗流计算结果分析。图4为三种工况下大坝渗流场模拟计算所得到的总水头、流速、水力坡降云图。从图中可看出，在正常蓄水工况下，从上游至下游，水头逐渐降低，坝顶处总水头集中较高水平，最大达到26.55 m；由于上游集中较高水头，故而在下游处流速较高，集中在坝趾区域，流速较大，最大可达0.6626 m/s；坝身整体水力坡降处于较低水平，主要集中在坝址渗流明显区域，部分水力坡降最大达到3.118。同理，在满蓄水位与试验水位工况下，大坝整体水头表现与正常蓄水工况下分布基本一致，但满蓄水位工况下最大总水头达27.95 m，正常蓄水工况下水头已逼近设计允许值的95%，正常蓄水工况下最大水力梯度值已达到设计允许值的96.6%，表明坝身渗漏区域已严重威胁大坝安全稳定性。

图4 大坝渗流场模拟计算云图(从左至右依次是总水头、流速、水力坡降)

根据渗流场模拟计算结果知，正常蓄水工况下渗漏点距离坝顶19.6 m，渗流量2.334 m3/d，在满蓄水位与试验水位工况下，渗流量分别是前者的1.05、1.07倍。根据设计规范[8]要求，大坝水力坡降允许值为

[J]=(δs-1)(1-m)/K

(4)

式中：δs指颗粒比重；m指孔隙率；K指安全系数，取1.6.

带入相关参数计算可得到[J]为0.667。由此可见，三种工况下水力坡降最大值分别为3.118、3.283、3.320，均已远远超过安全允许值，即三种工况条件下，大坝均会出现渗透破坏，皆不能安全运营。

3 水库大坝防渗墙设计后渗流场分析

水库大坝安全稳定与渗漏密不可分，对该水库大坝开展防渗处理非常紧急，工程设计人员综合考量，确定以50 cm厚的抗冲刷性混凝土为原材料制作防渗墙，墙基布置在弱透水层面，使之加固大坝渗流稳定性。本文对重新加固防渗后大坝渗流稳定性开展分析探讨。

(1)建模及前置边界条件。由于防渗墙存在，大坝坝身部分模型材料需要更换，且材料渗透系数也会发生一定变化，为此加入渗透系数为4.3×10-4m/d的抗冲刷性混凝土防渗墙材料，组合成数值分析模型，并按照前文类似划分出单元体网格，共有182 462个单元网格，如图5所示。

(2)防渗墙处理后渗流场模拟分析。图6为三种工况下防渗墙处理后大坝渗流场模拟结果图。从图中可看出，总水头在有无防渗墙工况下基本一致，且三种工况均是如此，但是防渗墙的存在导致流速显著减低，正常蓄水工况下，最大流速减小了44.1%，而坝身整体水力坡降趋于稳定，仅有0.28×10-4；有防渗墙满蓄水位渗流量为0.165 m3/d，相比无防渗墙同等工况下减少了93.3%；三种工况下渗漏点距离坝顶约为34.7～35.2 m，渗漏对坝顶威胁性大大降低。主要是由于防渗墙作为抗冲刷性混凝土材料，其本质上与坝身材料均属混凝土类别，但主要区别在于抗冲刷性混凝土渗透系数较低，处于弱透水性与中等透水性之间，可减缓整个坝体流速，减少渗漏量。最大水力坡降主要出现在防渗墙，根据统计知正常蓄水工况、满蓄水位、试验水位最大水力坡降分别为13.192、13.887、13.882，而防渗墙水力坡降允许值临界值为55，故而防渗墙安全。

图6防渗墙加固后大坝渗流场模拟计算云图(从左至右依次是总水头、流速、水力坡降、横断面水力坡降)

4 结 论

以达坂地区某水库大坝为研究对象，引入渗流原理与有限元分析数值解方法，利用ANSYS数值建模分析平台，研究该水库大坝渗流稳定性，获得了以下几点结论与认识：

(1)获得了该水库大坝分别在正常蓄水、满蓄水位、试验水位三种工况下渗流场特征参数分布，正常蓄水工况下渗流量与流速最大分别达2.334 m3/d、0.6626 m/s，渗流量最大值分别为满蓄水位与试验水位工况下的95.2%、92.1%。

(2)获得了该大坝在三种工况下平均最大水力坡降达到3.2， 是大坝原材料安全允许临界值的4.8倍，大坝处于严重渗漏状态，安全稳定性受到挑战。

(3)以50 cm厚度抗冲刷性混凝土防渗墙为大坝加固措施，研究获得了防渗墙的存在显著降低渗流量与流速，正常蓄水工况下，最大流速减小了44.1%，坝身整体水力坡降趋于稳定，仅有0.28×10-4，最大水力坡度集中在防渗墙，但亦仅为安全允许值的24.8%，大坝经加固后安全稳定。