某碾压混凝土坝典型坝段三维有限元渗流分析

袁应飞，姜彦作

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

1 概述

碾压混凝土坝由薄层浇筑而成，存在许多水平施工面层，会有(缝)面[1]的结合问题，若层与层之间胶结不好，会形成相对薄弱面，这些薄弱面可能形成渗流通道影响碾压混凝土坝强度、耐久性和防渗要求，也是坝体抗滑稳定的薄弱部位，影响碾压混凝土坝的稳定和安全，因此对碾压混凝土坝的渗流进行模拟分析非常有必要。目前用于碾压混凝土坝渗流分析的软件和方法很多，均各有优缺点。文章对ANSYS中的APDL语言进行二次改造可实现参数化三维建模以及模块化渗流模拟计算，方便快捷的实现模型的展开和相关方面的计算。

2 渗流计算原理及ANSYS渗流分析实现

2.1 渗流计算原理

碾压混凝土坝体的渗流特性满足达西定律的稳定渗流的基本方程[2]：

(1)

式中，h—水头函数；kx—x轴方向的渗透系数；ky—y轴方向的渗透系数；kz—z轴方向的渗透系数。

2.2 ANSYS渗流分析实现

2.2.1ANSYS中温度场与渗流场的相似性[3- 4]

由于ANSYS软件进行渗流分析时候，ANSYS软件本身并没有渗流计算模块，而稳定温度场的基本方程[3]：

(2)

式中，T—温度场函数；αx、αy、αz—沿x、y、z轴方向的导温系数。

由式(1)—(2)可知渗流场与温度场具有类似的基本原理和微分方程。另外，两场的边界条件也类似。因此可以用ANSYS中的热分析功能来模拟渗流场分析，其中渗流场与温度场各物理量的对应关系见表1：

表1 渗流场与温度场各物理量的对应关系

2.2.2ANSYS渗流计算步骤

ANSYS中渗流分析可分为3个步骤：前处理(建模)、求解(施加载荷计算)、后处理(查看结果)。

2.2.3碾压混凝土大坝中浸润线求解[5]

浸润线是碾压混凝土坝体中无压渗流的自由表面与纵断面的交线，在浸润线法向上其渗流速度为0。刚开始浸润线的位置是未知的，可以利用迭代法计算(本文迭代计算18次)。

利用ANSYS平台中的APDL[6- 8]参数化设计语言编制程序可快速方便的对ANSYS迭代计算浸润线中需进行相应边界条件的加载、检验单元是否高于浸润线、杀死和重新激活单元等大量重复操作，从而提高求解速度。

3 典型坝段的三维有限元模型建立

3.1 工程工况

某碾压混凝土坝典型坝段坝高50m，坝段长度20m，上游坝面垂直，下游坝坡1∶0.78，坝顶宽度5m，坝底高程920m；坝体上游向上延伸1.5倍数坝高即75m，下游向下延伸2倍数坝高即100m，坝基深度取2倍坝高即100m，具体参数如图1所示。

3.2 计算条件

(1)坝体材料分区如图2所示。

(2)渗流计算工况为：①水库正常蓄水位下的上下游运行水位；②水库校核洪水位下的上下游运行水位。具体设置见表2。

图1 某碾压混凝土坝典型坝段剖面图

表2 渗流计算工况表

(3)渗流计算参数见表3。

根据公式3—4可求出薄层体切向渗透系数kt和层面法向渗透系数kn。

(3)

(4)

式中，B—碾压混凝土层厚度，取30cm；df—水力隙宽，取15μm；kRCC—碾压混凝土本体的渗透系数，

图2 某碾压混凝土坝坝体材料分区图(单位：mm)

表3 渗透系数表

取7.20×10-9cm/s，代入上述两个公式得层面法向渗透系数kn为7.20×10-9cm/s，层面切向渗透系数kt为7.54×10-7cm/s。

3.3 有限元模型建立

碾压混凝土坝典型坝段有限元模型如图3所示。

本文利用ANSYS中薄层单元模拟碾压混凝土大坝中混凝土的成层渗流特性，薄层厚度为0.12m，模型网格剖分时每隔约3m设置一个薄层单元。坝段中的坝基和碾压混凝土以及碾压缝隙层的有限元均采用六面体八节点的solid70单元，总单元数13800个，总结点16280个。

4 计算结果分析

(1)工况一时的等值线图、速度矢量图如图4—5所示。

工况一时：该大坝典型坝段的单宽流量为0.848×10-2m3/(d·m)，总渗透量(即单宽流量×坝段长度20m×365d)为61.904m3/y。

(2)工况二时的等值线图、速度矢量图如图6—7所示。

工况二时：该大坝典型坝段的单宽流量为0.991×10-2m3/(d·m)，总渗透量(即单宽流量×坝段长度20m×365d)为72.343m3/y。

图3 典型坝段三维有限元模型

图4 工况一等值线图

图5 工况一速度矢量图

图6 工况二等值线图

图7 工况二速度矢量图

5 结语

(1)ANSYS三维有限元渗流分析结果符合碾压混凝土坝[9]渗流特性的一般规律，结果相对精确，APDL语言的二次开发提高了分析效率，便于修改和完善；两种工况下碾压混凝土坝典型坝段的渗流量均很小，不影响水库正常安全稳定运行，表明坝体防渗材料分区和防渗体系设置合理，同时该坝体施工浇筑薄层厚度较为适合。

(2)本文所建立的模型未考虑建坝工程中的帷幕灌浆、排水孔、灌浆廊道、坝基扬压力对碾压混凝土大坝的影响；未考虑水压力对混凝土材料渗透系数的影响；地基统一采用只1种材料的渗透系数与实际情况有一定偏差；故下个阶段应让模型的更加丰富使之更加符合实际情况。