基于UDEC的坝基裂隙岩渗流数值模拟研究

李院生

(辽宁西北供水有限责任公司，辽宁 抚顺 113007)

1 工程背景

锦凌水库位于锦州市太和区后山河营子村的小凌河干流上，属于辽宁省“十三五”重点建设工程项目。该水库主要承担锦州市的防洪和供水任务，设计总库容8.08×108m3[1]。锦凌水库工程大坝为混合坝型设计，最大坝高91.5m，坝长1148.0m，坝顶高程164.80m，主要由挡水坝段、溢流坝段、底孔坝段以及引水坝段构成[2]。本次研究的左岸土坝为砾石土心墙堆石坝，上游设高度为1.20m的C20钢筋混凝土防浪墙。下游设栏杆，坝顶面为向下游倾斜的单向坡，上下游坝面的坡度均设计为1∶1.8。砾石土心墙防渗体基础浇筑混凝土盖板，并与心墙相互配合共同构成大坝坝基以上的防渗体。在现场调查过程中，对左岸土坝段坝基岩石层进行了地质调查，显示坝基部位存在明显的节理裂隙发育，共采集到138条裂隙，其延伸方向与轴向成53°，岩体层理多为紧闭状态，层间距多为10～40cm，软弱夹层和层面产状基本一致，间距多为2～5m，其物理性质较为稳定。受到上述地质环境的影响，坝基岩体的稳定性会有大幅降低[3]，需要对坝基内部渗流进行研究，进而对坝基的安全性作出正确评价。

2 基于UDEC的计算模型构建

2.1 UDEC简介

UDEC是一种主要用于不连续介质数值模拟研究的通用离散元程序[4]。该程序的理论基础是20世纪70年代提出基于拉格朗日算法离散单元法则，由于该法则可以对断层、节理等不连续岩体介质进行很好的模拟，因此在大变形与大位移数值模拟计算方面具有显著优势[5]。具体而言，UDEC在对不连续岩体介质进行模拟计算时，将研究对象划分为若干凸多边体单元，这些计算单元之间的关系会随着相对平移和转动的发生而不断改变，直至最终达到平衡状态[6]。基于此，本文利用UDEC进行锦凌水库左岸土坝段坝基裂隙岩的模拟，并通过渗流应力耦合构建渗流离散元模型。

2.2 计算模型的建立

由于大坝坝基岩体的结构面空间分布特征极为复杂，因此很难对其渗流特征进行三维分析[7]。同时，相关研究文献显示，坝基渗流方面的二维和三维分析结果差距并不明显[8]。因此，本次研究采用二维模型进行坝基岩体渗流分析。根据锦凌水库的工程地质资料，其左岸土坝段部位的第29#坝段正下方存在一条发育断层，并对坝基岩体的渗流状态产生严重影响[9]。因此，研究中选取UDEC软件建立该段大坝和基岩的数值模拟模型[10]。结合该段大坝坝基的地质特征和相关研究成果[11]，模拟范围为大坝上游5倍坝高，下游和模型高度为3倍坝高，以尽量降低边缘效应对模拟结果的影响，建立的计算模型如图1所示。

图1 19#坝段渗流模型示意图(单位：m)

2.3 边界条件与计算参数

由于本次研究设定的计算区域比重点研究区域大得多，因此模型边界设置为不透水边界条件，并以正常蓄水位条件下的上下游水位高度施加水压力[12]。UDEC为模拟计算提供了多种本构模型，基于本次研究的特点和需要，采用摩尔-库伦模型进行模拟[13]。在数值模型计算过程中，岩体与结构面的物理力学参数是计算结果的重要影响因素[14]。参考工程建设前的地质勘查资料、现场实地分析成果以及相关研究成果[15]，综合确定岩体物理力学参数，见表1。

表1 岩体物理力学参数

3 计算结果与分析

3.1 正常运行工况计算结果与分析

在正常运行工况下，利用上节构建的模型对锦凌水库左岸土石坝29#坝段渗流情况进行模拟计算。为了验证放水帷幕的放水作用，计算按照有无防渗帷幕2种情况进行。按照锦凌水库的设计资料，水库的上游水位设定为158m，下游水位设定为132m，垂直于基岩施加水压荷载。根据计算结果，获得如图2—3所示的渗流示意图。由图2—3可知，大坝坝基裂隙岩体的渗流作用主要发生在岩体的裂隙、软弱夹层以及断层等为代表的导水管道之中，渗流场基本能够构成完整的回路，这与工程实际相符合。从2幅图的对比来看，有防渗帷幕情况下裂隙岩体的渗流作用得到明显抑制，特别是坝底部位的渗流量明显降低。由此可见，防渗帷幕的防水效果是十分明显的。

图2 无帷幕渗流示意图

图3 有帷幕渗流示意图

为了进一步对防渗帷幕的防水作用进行定量分析和评价，在29#坝段设置了若干监测点，由于坝基岩层中有断层穿过，因此在断层部位增设监测点，监测点的具体设置如图4所示。由于UDEC软件不能提供渗透压力评价，因此监测点的主要作用是提供扬压力以便对渗透压力进行间接评价。鉴于有无防渗帷幕的扬压力比较接近，因此监测点的布置情况相同。

图4 监测点布置位置示意图

图5—6分别是29#坝段各个监测点的有无防渗帷幕条件下的流量和扬压力大小对比图。由图5可知，在没有设置防渗帷幕情况下，8个监测点中，最小渗流量和最大渗流量分别为1.65×10-3和2.68×10-3m3/s；其出现的位置分别是监测点H和监测点G；在设置防渗帷幕的情况下，8个监测点中，最小渗流量和最大渗流量分别为1.12×10-3和2.11×10-3m3/s；其出现的位置分别是监测点H和监测点G；由此可见，设置防渗帷幕之后，各监测点的渗流量最小值和最大值均有明显减小。从8个监测点的渗流量均值来看，没有设置防渗帷幕时的渗流量均值为2.25×10-3m3/s，设置防渗帷幕时的渗流量均值为1.71×10-3m3/s，相比没有设置防渗帷幕情况减小了0.54×10-3m3/s，减小了24%。总之，设置防渗帷幕对减小坝基渗流量的作用十分显著。

图5 各监测点渗流量对比

图6 各监测点扬压力对比

由图6可知，设置防渗帷幕情况下各监测点的扬压力明显小于没有设置防渗帷幕；由于监测点G位于防渗帷幕的左侧，因此是否设置防渗帷幕对该监测点的影响不大。从8个监测点的扬压力均值来看，没有设置防渗帷幕情况下，扬压力的均值为0.54MPa，设置防渗帷幕时的数值为0.41MPa，相比没有设置防渗帷幕情况减小了0.13MPa，减小了约24.1%。此外，在8个监测点中，监测点H的扬压力最小。究其原因，主要是H监测点位于坝基基岩的断层内，由于断层内存在断层泥，因此裂隙宽度相对较小，当地下水经过断层内的裂隙时渗流量会有所减小，并最终导致扬压力的减小。

3.2 地震工况计算结果分析

根据研究区的地震资料，研究中以0.135g的地震峰值加速度以及0.45s的特征周期对29#坝段进行渗流模拟分析，上下游水位与正常运行工况相同。29#坝段各个监测点地震工况下有无防渗帷幕的流量和扬压力计算结果见表2。

由表2中的结果可知，在地震工况下，各个监测点在没有设置防渗帷幕时的渗流量明显偏大。从8个监测点的渗流量均值来看，没有设置防渗帷幕时的渗流量均值为2.66×10-3m3/s，设置防渗帷幕时的渗流量均值为2.05×10-3m3/s，相比没有设置防渗帷幕情况减小了22.9%。因此，设置防渗帷幕在地震工况下仍具有显著的防渗效果；设置防渗帷幕情况下各监测点的扬压力明显小于没有设置防渗帷幕；从8个监测点的扬压力均值来看，没有设置防渗帷幕情况下，扬压力的均值为0.67MPa，设置防渗帷幕时的数值为0.50MPa，相比没有设置防渗帷幕情况减小了约25.4%。总之，在地震工况下，设置防渗帷幕对减小坝基渗流量和扬压力具有显著作用。

表2 各个监测点地震工况下渗流量与扬压力计算结果

4 结语

本次研究利用基于UDEC离散元程序的二维渗流模型，对29#坝段的坝基渗流进行深入研究。结论显示有防渗帷幕情况下裂隙岩体的渗流作用得到明显抑制，渗流量和扬压力均有明显减小，对提高大坝的安全系数具有重要作用。文章提出的研究方法和结论对类似工程具有重要的借鉴价值。岩体渗流是具有众多影响因素的复杂课题，本次研究仍有需要完善之处。其中最主要的是本次研究默认坝基渗流为符合达西定律的稳定裂隙渗流，但是在实际工况中，非稳定渗流也是存在的，需要在今后的研究中对坝基非稳定渗流进行模拟，以获取更加贴合工程实际的方法和结论。