基于Ansys热分析模块的大坝渗流分析——以西藏满拉水利枢纽为例

王海凌，达 娃,王海霞

(西藏大学农牧学院，西藏自治区林芝县 857000)

文章编号：1006—2610(2015)01—0077—04

基于Ansys热分析模块的大坝渗流分析
——以西藏满拉水利枢纽为例

王海凌，达 娃,王海霞

(西藏大学农牧学院，西藏自治区林芝县 857000)

以西藏满拉水利枢纽为案例，从渗流分析的基本理论和计算方法着手，对西藏地区覆盖层较厚的土石坝进行渗流分析。通过渗流方程和热传递能量方程的相似性，利用Ansys的热处理模块对大坝的渗流进行数值模拟和计算，通过计算的结果和现场测压管的水头观测值进行对比和分析，结果表明，Ansys可应用于工程设计中的渗流计算，从而对土石坝后期加固处理具有指导性。

渗流;土石坝;达西定律;Ansys

0 前 言

中国土石坝的数量为占有大坝数量的93%[1]，据20世纪80年代的统计，当时全国241座大型水库先后出现过1 000余宗工程事故，其中以渗透变形事故最多，占31.7%[2]。产生渗流的原因有设计方面、施工方面及其他方面。水库蓄水后，在高水头的作用下坝体和坝基出现不同程度的渗流，尤其是在西藏这种覆盖层很厚的情况下，对于坝体的渗流计算尤为重要。

在土石坝的渗流计算中，主要的计算任务是：计算渗流量、计算浸润线、扬压力、渗透流速、水力比降[3]。为土石坝设计提供依据，并且在后期的管理和运行中对土石坝渗透稳定进行分析，可以通过这些数据来合理地选择防渗、排渗设计方案，从而能够有效地控制渗流。土石坝的渗流计算对保证土石坝安全、更好地发挥工程效益以及节省投资都有显著的实际意义[4]。

1 土石坝渗流计算方法

现有渗流计算的方法分为理论分析法和试验分析法，其中理论分析的方法又分为解析法、数值法和图解法；数值方法主要有有限元法、差分法和边界元法[5]。由于土石坝的渗流计算影响因素很多，而且复杂，有限元分析计算困难，计算时间步数过多，从而导致计算量的加大，给土石坝的渗流计算带来了很大的难度，计算结果与工程实际情况差别较大。现有的计算方法已经对已有的条件进行了一定的简化，或是采用软件计算时参数设置有误，很难做到计算结果符合实际情况。因此，需要探索一种简单实用的方法来计算和模拟渗流，为工程设计提供必要的依据。

利用Ansys热处理模块分析渗流，土石坝渗流有自由面的存在，在渗流浸润线的自由面上法向的流速为零，浸润线以上部分不参与计算。浸润线的计算采用迭代法，先假设浸润线的位置和渗流出逸点，然后按第一类和第二类边界条件进行渗流计算，根据计算的结果不断地调整浸润线的位置，直到前后计算的结果浸润线差值在允许误差的范围内。计算中，Ansys利用生死单元技术，将位于浸润线以上的单元杀死，位于以下的单元激活并参与计算。由于需要反复地计算，产生人与计算机的交换数据，计算过程相对复杂，本次采用Ansys的ADPL参数化语言来解决这一问题，从而大大简化了计算过程和减少了计算的误差。

2 渗流基本方程

Ansys软件中没有直接计算渗流场的模块，但可以在其它相似的模块中分析渗流场，Ansys中温度场的模块与渗流场的模块非常相似，笔者从几个方面进行说明。

2.1 基础理论的相似

(1) 达西定律：

(1)

式中：A为断面面积；(h1-h2)为测压管水头差；k为渗透系数；L为渗径长度。

(2) 热传导定律(傅里叶假设)：

(2)

式中：Qr为热(流)量；A为断面面积；Kr为热传导系数；(dT/dn)为温度场梯度。

2.2 微分方程的相似

(1) 渗流场的微分方程

1) 对于不可压缩各向异性非均质无源稳定渗流的微分方程式：

(3)

2) 对于可压缩各向异性非均质非稳定瞬态渗流的微分方程式：

(4)

其中：Kx、Ky、Kz为沿x、y、z方向的渗透系数；Ss为单位储存量。

(2) 温度场的微分方程

1) 对于无热源的各向异性非均质稳定热传导的微分方程式：

(5)

2) 对于无热源的各向异性非均质瞬态热传导的微分方程式：

(6)

其中：Krx、Kry、Krz为沿x、y、z方向的热传导系数；C为比热。

2.3 初始条件和边界条件的相似

渗流场的初始条件：

h|t=0=h(x,y,z,0)

温度场的初始条件：

T|t=0=T(x,y,z,0)

第一类边界条件：

渗流场h|Γ1=h(x,y,z,t)

温度场T|Γ1=T(x,y,z,t)

式中：h|Γ1、T|Γ1分别为时刻t点的测压管水头值和温度值；h(x,y,z,t)、T(x,y,z,t)分别为边界Γ1上给定的已知测压管水头函数和温度函数。

第二类边界条件：

在不透水边界和绝热边界上，qs(x,y,z,t)=0和qr(x,y,z,t)=0

Ansys程序中温度场分析的控制方程可以写成：

(7)

式(7)为有热源各向异性非均质瞬态热传导微分方程。

表1 渗流场与温度场各种相应量的比较表

从表1和式(7)有热源各向异性非均质瞬态热传导微分方程可以看出，渗流微分方程和温度场微分方程是十分相似的，可以说渗流微分方程是温度微分方程的一种特殊的型式。只要将温度换成测压管水头，渗透系数改为传热系数，将比热、单位体积热生成率、热质量传输速度向量设置为零。就可以采用Ansys中热分析模块来分析渗流场。

3 案例分析

西藏满拉水利枢纽工程位于西藏自治区日喀则地区江孜县龙马乡境内年楚河上，坝址距下游日喀则市113 km。挡水坝为黏土心墙堆石坝，坝长287 m，坝高76.3 m，坝顶宽10 m，有“西藏第一坝”之称。满拉水库坝址以上流域面积2 757 km2，多年平均径流量4.83亿km2，坝址以上流域地处高原，海拔高程在4 200.00～7 200.00 m，高程5 000.00 m以上的面积占流域面积的54.6%。水库设计总库容为1.57亿m3，水库正常蓄水位4 256.0 m，死水位4 235.0 m，对应库容为1.32亿m3。坝址处多年平均洪峰流量为15.1 m3/s，百年一遇洪峰流量为393 m3/s。满拉大坝死水位以上迎水面为干砌石护坡，坡度为1∶1.85，马道宽为3.0 m，主堆石区采用花岗岩，主堆石区和过渡区边坡为1∶0.5，过渡层采用天然砂砾石层，过渡层和黏土心墙坡度为1∶0.3，下游反滤层采用砂砾石，过渡层采用碎石，下游此堆石区的坡度为1∶1.7。基础覆盖层采用混凝土防渗墙。

本次模型不考虑大坝原有的上游干砌石护坡、下游的细反滤层及碎石过渡层。只考虑上游主堆石区、上游过渡区、心墙、下游过渡区、下游次堆石区,见图1、2。由于坝基采用的是混凝土防渗墙，本次计算模型将不考虑坝基渗流，即将坝基作为不透水的边界条件处理。从上游面到下游渗透系数分别为2.6×10-3m/s、1.0×10-5m/s、1.0×10-7m/s、1.0×10-5m/s、2.6×10-3m/s。网格划分及压力云图见图3、4。

图1 满拉大坝原有断面图 单位：高程，m；其它，mm

图2 简化后满拉大坝断面图 单位：高程，m；其它，mm

图3 单元网格划分图

图4 大坝水头压力云图

表2 满拉大坝实测值与计算值对比表

由于边界条件比较复杂，模型采用三节点三角形单元plane35。本文采用Ansys提供的生死单位技术，计算时将位于浸润线以上的单元杀死，而将浸润线以下的单元激活，然后根据施加的相应的边界条件进行分析，并根据计算的结构不断地杀死和激活单元，直至计算结果在允许的误差范围内。若想浸润线足够的光滑，网格划分得必须足够的密实，同时也提高了计算量。采用Ansys的后处理器结果查看模块，可以实现结果的图形化查看。

通过表2可以看出，计算值与实测值接近，证明Ansys热处理模块可以在水利工程设计中对渗流计算结果进行验证。

4 结 语

本文从Ansys的热处理模块出发建立渗流场，通过对温度场与渗流场的相似性及其微分方程、边界条件进行对比，验证了热处理模块对渗流分析的可靠性和真实性。通过西藏满拉水利枢纽大坝实例计算，本工程计算结果与测压管水头实测值具有较好的一致性。

[1] 邓苑苑.病险土石坝渗流破坏机理分析 [D].新疆：石河子大学,2006.

[2] 刘杰.土石坝渗流控制理论基础及工程经验教训 [M].北京：中国水利水电出版社,2006.

[3] 邓苑苑,刘建军,张小燕.土石坝渗流计算的理论发展及方法探析[J].甘肃农业,2006,(6):363-364.

[4] 毛昶熙.渗流计算分析与控制 [M].北京：水利电力出版社,1990：115.

[5] 程国祥,游昕颖.浅谈基于Ansys的土石坝渗流场模拟 [J].甘肃科技,2011,(7):80-81.

Analysis on Dam Seepage Based on Ansys Thermal Module

WANG Hai-ling, DA Wa, WANG Hai-xia

(Agricultural and Animal Husbandry College of Tibet University, Linzhi Country, Tibet Autonomous Region 857000,China)

With the case of Laman Project in Tibet, seepage of the earth-rock fill dam on the thicker overburden in Tibet Autonomous Region is analyzed based on the basic theory and calculation methods for the seepage analysis. Through the similarity of seepage equation and thermal transmission energy equation and by application of the Ansys thermal handling module, the seepage value simulation and calculation are carried out. Comparison and analysis of the calculation results and the measured water head by piezometer prove that Ansys can be utilized for the seepage calculation. Accordingly, it can guide the late reinforcement of the earth-rock fill dam.

seepage; earthrock fill dam; Darcy's Law; Ansys

2014-11-19

王海凌(1985- )，男，藏族，研究生，主要研究水工结构方向.

TV223.4

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10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.020