基于ANSYS的大伙房水库土坝渗透系数反演

佟晓娜

(辽宁省大伙房水库管理局，辽宁抚顺 113007)

1 概述

由于大坝边界条件的复杂性和坝体、坝基渗流的非均匀性，用渗流基本方程计算成果难以与大坝实际运行情况相一致，因此有必要通过渗流监测资料反演其渗透系数。即在渗流资料分析基础上，选取一段库水位相对稳定时间的大坝渗流监测资料，开展大坝稳定渗流反演分析。本文根据温度场和渗流场的相似性，利用有限元分析软件ANSYS的热分析功能计算土石坝渗流问题，通过ANSYS的优化设计功能，建立了基于ANSYS的渗透系数反演模型，反演得到大坝稳定渗流后的心墙料的渗透系数。

2 工程概况

大伙房水库是我国“一五”期间修建的重点水利工程，具有防洪、供水、灌溉、养鱼、发电等多种功能，是新中国成立后我国第一座自行设计、自行施工的大型水利枢纽工程。

水库主坝为碾压式黏土心墙坝，心墙顶部宽度为2.25 m，心墙底部宽度为15.0 m，心墙顶部高程为136.8 m。黏土心墙底部为混凝土截水墙，底座宽1.0 m，墙底宽0.7 m，顶宽0.5 m，墙身高2.0 m。坝顶宽8 m;坝顶高程139.8 m，防浪墙顶部高程141.0 m。

3 稳态温度场与稳定渗流场的相似性

土石坝渗流基本微分控制方程如下:

式中:H为总渗透水头;kx，ky，kz为以 x，y，z轴为主方向的渗透系数;μs=ρg(α+nβ)为单位贮水量或贮存率。

稳态热传导基本微分控制方程如下:

式中:T 为温度;kx，ky，kz为以 x，y，z轴为主方向的介质热传导率;ρQ是热容量。

通过式(1)与式(2)比较可以看出，土体渗流问题与温度场问题的控制方程非常相似，只需要将温度场介质换成土体介质，相应的参数换为求解渗流场的参数，因此温度场和渗流场是相似的。值得注意的是，当渗流变为稳定渗流时，则单位贮水量μs=0，而令稳态热传导时的Q=0时，则土石坝稳定渗流基本微分方程与稳态热传导方程完全一致，参数及边界条件相互对应，为应用ANSYS热分析模块进行渗流场分析奠定了基础。

4 原始资料选取

选取水库主坝设有心墙测压管的0+500断面对大伙房水库大坝心墙渗透系数进行反演，该断面测压管经工程多年运行实践表明，渗流状态比较稳定，没有堵塞与不灵敏等现象，个别异常数据进行剔除或调整后，监测数据可以用于分析使用。为了正确反映大坝渗流的实际情况，选取2006年至2009年所观测的平均上游水位(125.09 m)进行正分析计算，监测资料选取其所对应的测压管水位值。

所选0+500断面测压管布置图见图1所示，测压管水头数据见表1。

图1 渗流监测点布置图

表1 断面的测压管实测水位值

采用间接法计算，预先假定渗流场各个分区材料的渗透系数。土坝中部分分区材料的渗透系数比较稳定，与设计时出入不大，对这些区域无需进行反演，计算时直接采用设计值。正分析计算中其它分区渗透系数取设计值，见表2所示，而仅对黏土心墙的渗透系数进行反演。

表2 渗透系数分区表

根据流量守恒原理可知，各材料分区满足一定比例的任意渗透系数都能适应给定的水头函数，故反求得出的渗透系数的绝对值是任意的，但本次计算中假定某些渗透系数为已知值，所以反演结果是唯一的。

5 反演断面有限元模型

取坝段上游水位以下的坝体表面、坝基侧面、坝段下游水位以下坝体表面、坝基侧面为第一类边界(定水头边界)，大坝坝基的上下游侧面、底边界为第二类边界(无流量交换)，坝段上游水位以下的坝体表面及坝基下游表面为第一类边界(定水头边界)。整个模型共划分3 652个节点，3 471个单元，见图2。

图2 0+500断面分区图

图3 0+500断面单元划分图

6 反演结果及分析

设定黏土心墙渗透系数初始值为1.7×10－8cm/s，利用ANSYS优化设计方法得到的反演结果见表3。取黏土心墙渗透系数目标函数最优反演值k=1.36×10－8cm/s对坝体0+500断面进行二维稳定渗流有限元计算，提取该断面测压管所在位置的计算值与实测值对比见表4。

表3 黏土心墙渗透系数优化反演结果

表4 测压管水位计算值与实测值对比(上游水位125.09m)

计算值与实测值的对比表明，有限元计算值与实测值相对误差较小，拟合结果能够满足精度要求。同时，也表明所求得的渗透系数比较合理，可以用于渗流数值计算。

综上可见，使用ANSYS优化模块进行渗透系数反演分析，计算过程简洁，计算速度较快。但是，当初始值作较大变动时，得到的优化值亦会有较大的变动，这与反演时所参照的监测点个数有关，增加监测点个数可将反演参数约束在一个较稳定的范围。

7 基于ANSYS方法的模型可靠性论证

为了验证反演的力学参数是否正确，再次采用正分析方法把反分析出的参数值代入到ANSYS所建立的模型中进行计算，在上游水位为正常蓄水位、防洪限制水位2种不同工况下，对有限元模型进行计算。计算成果见表5。

计算工况 正常蓄水位 防洪限制水位心墙逸出点高程/m 92.51 91.98心墙出逸渗透坡降 4.024 3.268心墙平均渗透坡降 4.031 3.275下游坝坡逸出点高程/m 90.01 90.45下游坝坡出逸坡降 0.0036 0.010坝体渗流量L/s 2.1*10－8 1.5*10－8

提取测压管所在结点渗压值与实测管水位进行对比，对比结果见表6。由表6可见，渗压计算值比实测值稍小，这可能是因为在计算时未考虑地下水位对渗流的影响，数值计算结果与实测值相对误差较小。

表6 0+500断面渗压计算值与实测值对比

8 结语

综上可见，使用ANSYS优化模块进行渗透系数反演分析，计算过程简洁，计算速度较快。但是，当初始值作较大变动时，得到的优化值亦会有较大的变动，这与反演时所参照的监测点个数有关，增加监测点个数可将反演参数约束在一个较稳定的范围。利用ANSYS的优化设计功能，反演得到更符合大伙房水库大坝实际工况的渗透系数，利用这个渗透系数进行渗流数值计算，通过对计算值与实测值的对比表明，有限元计算值与实测值相对误差较小，拟合结果能够满足精度要求。说明所求得的渗透系数比较合理，可以用于渗流数值计算。

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［2］刘先珊，费文平，张林.一种大坝渗透系数分区反演新方法研究［J］.岩土力学，2004(11):25.

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