基于ANSYS 分析地基参数对大坝安全的影响

李 参，张兆军，任泽俭

（1.水发集团有限公司，山东 济南 250109；2.南水北调东线山东干线有限责任公司，山东 济南 250109）

大坝的安全稳定涉及到下游人民的正常生活和生产，在大多数的大坝失事中，坝体的渗透和滑动是导致其发生破坏的关键原因[1-3]。为了使地基条件满足大坝安全稳定的运行的要求，通常需要对坝基进行一定程度得处理，同时为了尽可能的节省成本，需要采取合理的坝基形式。同时，由于在大坝安全评价过程中，因为勘测地基时，钻孔有限，无法探明岩基的特征参数，降低了数据的准确性，不利于大坝安全评价。因此，为了使大坝安全评价更精确，可以通过设置不同的地基参数（选定软岩/硬岩等）[4，5]，选择典型工况进行渗流稳定分析，通过ANSYS 软件对渗流计算和稳定计算结果进行综合分析[6，7]，指出不同地基形式对坝体安全的影响，为工程设计和施工提供理论依据。

1 计算原理

1.1 渗透量计算

依据水力学知识，当水流达到稳定渗流状态时，应当满足达西定律的规定条件，且此时的流态称作二维渗流场，水头势函数应当满足下列微分方程

式中：Φ=Φ（x，y）是需要计算的水头势函数；x，y 表示的是坐标位置，kx，ky代表相应坐标轴上的渗透系数。

水头Φ 拥有特定的边界条件，下述几种边界条件较为常见：

1）上游处水头大小明确

2）逸出部位水头等同于其位置高程

3）某边界的渗流量q 明确

式中：lx，ly代表边界表面外法线在 x，y 方向的余弦。

采用ANSYS 将渗流场离散，假定渗流场内的Φ 为多项式，结合方程（1）和其它边界条件，推导出方程组（5），并且该方程组为线性。

式中：[H]为渗透矩阵；｛Φ｝为渗流场水头；｛F｝为节点渗流量。

求解方程组（5）可以得到节点水头，进而得到单元的其它物理量。浸润线的确定是构建渗流场的关键，通过ANSYS 并采用节点流量平衡法迭代法得到浸润线位置及渗流量。

1.2 抗滑稳定计算

在本文稳定分析计算时，则根据坝体结构特征数据和《小型水利水电工程碾压式土石坝设计规范》（SL189-2013）中的瑞典圆弧法进行均质坝的稳定计算，公式如下：

式中：k 为安全系数；W 为土条重量；u 为土条下部的孔隙压力；a 为条块重力线与其底面中点的半径之间的夹角；b 为土条宽度；c′、φ′为土条下部有效应力抗剪强度指标。

计算时需要求最小安全系数的滑弧位置，有关计算由软件自动实现。通过有限元方法计算渗流稳定分析时得到两种工况的浸润线，设计水位工况和降落水位工况的浸润线。指定两种浸润线为稳定计算的浸润线，然后确定坝基高程、施工期水位、设计水位、搜索范围，任务列表进行稳定分析计算，求解最小安全系数的滑弧位置。

2 渗流计算

2.1 渗流计算模型及参数

本文选取河南省蚂蚁水库大坝为研究对象，根据经验以及相关规范，选取断面时，需要搜集和整理水库流域概况和水文气象等条件，本文需要考察地基的影响，所以选取水库大坝的计算断面。断面基础资料：大坝的坝顶高程为21.0 m，坝顶宽度3.5 m，坝顶长度270 m，最大坝高为2.10 m，坝内填土分为4 层黏土。大坝断面见图1，土体参数见表1。

图1 大坝断面图

表1 土体参数表 cm·s-1

本文选取三种地基形式研究大坝的渗透和稳定情况，地基材料表见表2。

表2 地基材料表 cm·s-1

2.2 渗流计算结果及分析

表3 渗流计算结果表

原型的坝基填土为粉质黏土，粉质黏土的渗透系数远大于岩石。在水库库水位为18.8 m 时，原型在稳定渗流时渗流量为0.056 604 m3/d，第一组坝体的渗流量为0.040 885 m3/d，第二组坝体的渗流量为0.144 465 m3/d，可见第三组坝体的渗流量最小，第三组的坝基不透水性更强。观察三组渗流稳定计算结果，得到坝体下游渗流出逸点处的比降，在所有条件均相同，只有地基参数不同的条件下，可见，地基的渗透系数对坝体下游渗流出逸点处的影响很大。

3 稳定计算

稳定计算的模型图与渗流计算的模型相同，计算工况为库水位为汛限水位（18.8 m）的典型工况。采用毕肖普法，计算正常运行期内无降雨时正常水位下的大坝稳定，稳定计算结果见表4。

表4 大坝稳定计算结果表

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）规定，水库在正常运行条件下，坝坡抗滑稳定的最小安全系数为1.25，通过软件计算坝体的抗滑稳定，得到在正常运用期坝体的上游坝坡的安全系数和坝体下游坝坡的安全系数均大于规范要求的最小稳定系数1.25，所以在正常运用期，大坝满足稳定要求。

三个坝体除地基参数不同，其他参数都相同，通过有限元软件计算几个坝体的抗滑稳定，发现在同样的工况下，原型黏土地基坝体的稳定系数大于岩基坝体的稳定系数，大于强风化的岩基坝体的稳定系数。由此可见，不同的地基材料，不同的地基参数，坝体的稳定性是不同的，所以地基参数对坝体的稳定性有一定的影响。

4 结 论

在对水库大坝的安全评价过程中，主要应考虑渗流稳定和坝体安全稳定这两个方面。基于软件ANSYS 得到的相关结果，对比三种地基对大坝安全的影响可以得知：在同种工况下，当地基是黏土时，坝体的渗流量较小，下游坝坡的稳定性系数为2.14；当地基是岩石时，坝体的渗流量小于黏土坝基，下游坝坡的稳定性系数为2.18；当坝基是强风化的岩石时，坝体的渗流量很小，下游坝坡的稳定性系数为2.16。由此可见，坝基参数对坝体的渗透量以及坝体的稳定性都有深刻影响。坝基是坝体的基础，在大坝安全评价时，必须严格审查地基参数，采用ANSYS 对不同地基形式进行分析，将使地基参数更加精准，从而使大坝安全评价更加准确。