复合土工膜防渗土石坝渗流仿真分析

2018-10-17刘炳明张庆波王海青

水科学与工程技术 2018年5期

刘炳明，张庆波，王海青

（1.连云港市赣榆区城头镇水利管理服务站，江苏连云港 222100；2.连云港市赣榆区水利局，江苏连云港 222100；3.连云港市赣榆区机电排灌管理站，江苏连云港222100）

复合土工膜渗透系数很小，具有防渗效果好、价格低廉、施工简便等优点，但受人为及环境影响，土工膜施工过程中会产生破损，形成微孔，致使渗透系数变大，渗透机理发生改变。基于上述背景，本文研究应用复合土工膜防渗土石坝的渗透机理，借助有限元软件，计算并评价某土石坝中采用土工膜防渗效果，得出了与实际工程的相关结论。

1 工程概况

某土石坝处于黄河干流上，大坝顶高程139.0m，最大坝高20.2m，坝顶宽度8.0m，正常高水位134.0m，下游无水时高程119.7m。为取得良好的防渗效果，大坝铺设复合土工膜，其面积多达16万m2。

2 土石坝有限元仿真分析

2.1 模型建立

选取大坝河槽段断面开展分析，其河槽段设计断面为：坝体与截流围堰结合，建基在河槽砂砾石地基上。上游坝坡1∶2.75，采用复合土工膜斜墙防渗，复合土工膜下设0.15m厚中细砂垫层，上铺0.20m厚砾石保护层，外设0.30m厚预制混凝土块护坡。下游坝坡在127.20m高程设3.50m宽的马道，马道以上坝坡为1∶2.25，马道以下坝坡1∶2.50，设置贴坡排水，其混凝土防渗墙与复合土工膜斜墙连接，形成封闭的防渗体系。混凝土防渗墙厚0.60m，墙底嵌入基岩1.50m。

根据断面建立有限元模型，复合土工膜防渗土石坝渗流仿真分析流程如图1。

图1 流程

具体步骤如下：

（1）步骤1：CAD建模。建立复合土工膜防渗土石坝CAD模型，另存为dxf格式文件，将文件导入有限元软件。建模时，为便于在有限元软件中施加荷载，复合土工膜防渗土石坝坝体高程需选用Y坐标。

（2）步骤2：建立几何面。导入的模型后，为便于实现从X，Y平面到Y，Z平面的转换，需通过导入的点来建立几何面。

（3）步骤3：模型建立好后，材料赋值、施加荷载、处理边界条件等。渗流计算中将所需荷载施加于坝体，忽略了坝体与坝基间的相互作用，将坝体和坝基的接触面设为三向约束。

（4）步骤4：网格剖分。此步骤所得有限元网格对仿真计算结果分析的准确性和经济性起决定作用。计算时需考虑两方面因素。一方面，要考虑网格的单元形状、中间节点的位置、单元大小等。另一方面，需考虑网格剖分密度，若网格剖分过大，则可能导致计算结果不准确；若网格剖分过小，则可能计算时间过长，甚至可能导致计算机无法运行。复合土工膜防渗土石坝三维模型网格采用六面体及四面体结构化网格，共剖分了7281个单元，8247个结点，模型网格剖分如图2。

图2 土石坝三维模型网格剖分

（5）步骤5：求解计算。

（6）步骤6：计算结果分析。

2.2 模型相关参数数据取值

模型尺寸依照河槽段大坝剖面图建立，选取上游水位134m，下游水位120m。复合土工膜防渗土石坝材料渗透系数的取值及允许坡降如表1。

表1 土石坝渗流计算参数

其中，对于复合土工膜的渗透系数的取值，按照拟合的新数学模型计算，其渗透系数：

2.3 仿真计算结果

经计算，得到了复合土工膜防渗土石坝的总水头云图、总水头等值线图、压力水头云图、压力水头等值线图及自由液面（浸润面），如图3～图8。

图3 土石坝总水头

图4 土石坝总水头等值线

图5 土石坝压力水头

图6 土石坝压力水头等值线

图7 土石坝压力

图8 土石坝自由液面（浸润面）

由计算可得：复合土工膜防渗土石坝坝体渗流量9.46×10-7m3/s·m，坝基渗流量1.71×10-4m3/s·m，渗流出口比降0.1224，允许比降0.10～0.20。复合土工膜防渗土石坝坝体基本处于非饱和状态，浸润线沿着土工膜快速下降，基本沿着地基河床分布。坝体坝基渗流总量较小，渗流出口的渗透比降满足要求。

此外，基于浸润线大致位置，经统计分析，各渗压计的量测数值均大幅低于上游水位，进一步验证了复合土工膜防渗土石坝渗流仿真结果。说明采用复合土工膜防渗的大坝的渗透性能良好。