基于Abaqus下某水电站大坝防渗墙对渗流场影响特性分析研究

麦麦提明·依比布拉

(新疆维吾尔自治区塔里木河流域喀什管理局，新疆 喀什 844700)

作为人类发展不可或缺的水电能源，高效利用水资源发电是当前各国水利能源工程攻坚研究课题[1-2]，而水电站选址建设是重要子课题，大坝作为水电站重要水工建筑结构组成部分，许多学者利用原位模型试验分析了结构安全稳定性[3-4]；基于数值模拟计算软件开展数值试验，研究坝体渗漏效果[5-6]；或研究其他新兴人工材料在大坝防渗结构中应用效果[7-8]；但限于工程场地差异性，不同地区不同场地防渗措施并不一定具有同样效果，有必要根据具体工程实例，利用现代计算机模拟手段，研究大坝渗流特性，指导现场坝体防渗结构施工。

1 工程概况

某水电站大坝修建采用混凝土堆石浇筑，设计坝顶高程为812.3 m，坝顶修建有宽为10.6 m公路，坝高曲线最大值为101.3 m，上下游坡度分别为0.71、0.64，设计蓄水位为802.5 m，枯水期蓄水位为 737.8 m。每年该水电站可供应电力超过8亿kW·h，该水电站以混凝土堆石坝为主体向两侧岸坡逐渐延伸，溢洪道、消力池及其他输送电力厂房等均在延伸路段内，包括现场管理驻所及其他建筑结构，挡水等级均为Ⅰ级。坝体设计填筑370万m3混凝土，所用填筑料除混凝土为现场制作使用，其他混合砂砾石料均来自距工程现场4 km处山体开挖爆破，最大粒径为 600 mm，混凝土选用为C30素混凝土。坝体乃是该水电站直接承受水流渗透作用直接载体，为此工程部门考虑对该坝体加筑防渗墙，墙厚为1.2 m，高度最大为45 m，穿过基岩层，保护坝趾及坝基；另一方面设计有趾板与面板结构，防护坝身与坝肩，面板采用钢筋混凝土制作，厚度为55.5 cm，位于坝体底部高程为680 m处，趾板建于基岩上覆土层中，并在现场施工过程中通过帷幕灌浆工艺穿过趾板，降低坝体内部渗流场活跃度，控制渗漏量，大坝几何剖面示意如图1所示。

根据工程地质勘察资料，该水电站场地为Ⅱ类，基岩层为弱风化花岗岩，层状构造，与下覆岩层为不整合接触，上覆土层厚度较大，以平均含水量为62%的粉质粘土为主，并夹有部分细砂岩，土质较均匀；另还有砂土层，粒径为0.2～2 mm，可塑状态，弱风化，该土层虽厚度并非最厚一层覆盖土，但其分布面积最广；在深厚覆盖土层中还夹有砂砾卵石，受河流冲积搬运作用，磨圆度较高。室内岩土工程试验表明基岩标准承载力为500 kPa，含水量为58.3%。

图1 大坝几何剖面示意(单位：高程m)

2 大坝地基渗流场影响特性分析

2.1 模型建立及参数选取

在上述工程地质资料分析基础上，利用Abaqus有限元软件建立简化后水电站几何模型，该模型包括水电站所有重要结构，并可计算防渗墙与帷幕灌浆等多种工况下渗流特征参数结果。图2为岩土材料概念化后坝体沿坝轴线剖面示意。为在有限元分析软件中更易于计算坝体渗流场特征参数表现结果，将基岩上覆盖层厚度取值设定为50 m，包括弱风化层与强风化层，分别为30 m、20 m，并结合面板、垫层等简化后结构部分，获得简化后坝体示意(如图3所示)。

图2 坝体沿坝轴线剖面示意(单位：m)

图3 简化后坝体示意

在上述分析基础上，定义上游至下游指向为X轴，从右岸坡至左岸坡为Y轴，水电站竖直方向为Z轴，利用Abaqus软件建立坝体数值模型，如图4(a)所示，按照数值模拟过程[9-10]，划分出网格单元体，获得有158 637个节点，101 654个单元体，岩土变形准则采用弹塑性模型D-P准则，以SOLID65模型为基本单元体，划分单元体后模型如图4(b)所示。

(a)坝体数值模型 (b)划分单元体模型

模型坝体中包括有基岩层、岸坡岩层、风化覆盖层、面板及垫层等部分结构，其中，基岩层弹性模量为81 GPa，泊松比为0.31，岸坡岩层弹性模量取 55 GPa，两者渗透系数均为10-6m/s，覆盖层渗透系数为1.5×10-6～4.5×10-6m/s，面板及垫层渗透系数分别为1.5×10-7m/s、10-5m/s。本文主要对坝体正常运营期与死水期工况开展渗流场特征参数分析，其中正常运营期施加边界荷载上、下游水头分别为300 m、200 m，死水期边界荷载上、下游水头分别为295 m、200 m。

2.2 无防渗措施下渗流场

在无防渗措施条件下，分别给坝体数值模型施加正常蓄水期与死水期边界条件(如图5所示)，基于多次迭代计算，获得坝体渗流场各特征参数值及分布云示意(如图6所示)。

图5 施加边界条件

从图6可看出，总水头分布呈上游至下游逐渐降低，坝体迎水侧总水头较高，最大可达300 m，分布在上游坝身、两侧岸坡及坝基等区域，下游背水侧总水头最低仅为213.3 m，从上游至下游总水头整体降幅达28.9%，坝顶区域总水头为253.3～266.7 m。另一个特征参数压力水头最大值为292.8 m，分布在上游迎水侧坝体深覆盖地基层，分布面积占计算模型中21.4%，两侧岸坡压力水头成一致性表现，从岸坡顶部至底部岩土层中，压力水头逐渐增大，分布范围为-66.7～-133.3 m，负孔隙水压力与岸坡此区域内地下水位有关。等水头线计算结果表明，浸润线均在坝体面板处迅速下降。

(依次为总水头、压力水头、等水头线及浸润线)

图7 Y=295、X=395.5断面等水头线(蓄水期)

图7为Y=295、X=395.5断面等水头线特征。从图7中可看出，在Y=295断面处，最大最小水头值之间降幅超过27%，且从上游至下游呈依次递减态势，浸润线亦是如此。再看X=395.5断面，该断面上浸润线处于水平状态，且水头值从两侧逐渐过渡至中间，呈“V”字形变化态势，最大水头降幅为6.1%，表明该大坝渗漏方向主要由上至下游方向，即坝身防渗性能缺失。根据Abaqus计算结果表明，大坝整体渗漏量为1.05 m3/s，其中坝身渗漏量为0.82 m3/s，占比超过77.1%，其次即是地基覆盖层渗漏量超过0.1 m3/s，坝身与覆盖层渗漏量占坝体总渗漏量超过88%，由此可知在正常蓄水位工况下，坝身渗漏是大坝渗透破坏面临最突出问题。

图8为死水期工况下无防渗措施大坝渗流场特征参数计算结果。从图8中可看出，总水头分布与正常蓄水位下有所差异，在坝体迎水侧除分布有大面积最大总水头值，坝身与深厚覆盖层地基总水头值相比两侧岸坡呈现一定层次，该层次间属于最大总水头值，达295 m，两侧岸坡总水头值为288 m，下游背水侧总水头值仍然是最低，最低水头值与正常蓄水期近乎一致，且上游至下游总水头值降幅为28.8%，与正常蓄水期亦基本相近。压力水头在坝址分布及量值与正常蓄水期有相近之处，最大压力水头位于坝体基岩层，两侧岸坡顶直至基岩层，压力水头值逐渐增大，最大压力水头为288 m，坝身处压力水头值约为133.3 m，岸坡顶部压力水头值最低，且仍为负孔隙水压力，与蓄水期一致。从等水头线分布来看，上游至下游坝体整体面临水头逐渐减小，但上游288 m等水头线包络区域有坝身与基岩上覆盖层，故死水期渗透作用亦主要以坝身与覆盖层为主；两侧岸坡等水头线分布间距较平缓，表明岸坡渗漏作用较弱。

同理，以Y=295、X=395.5两个断面为例，开展死水期等水头线分析(如图9所示)。根据渗漏量计算结果知，死水期大坝总渗漏量为0.97 m3/s，其中坝身渗漏量占比达80.4%，而坝身与基岩上覆盖层总渗漏量占坝址区90%，故而解决大坝渗漏问题重要措施即是解决覆盖层与坝身渗漏性。

(依次为总水头、压力水头、等水头线及浸润线)

图8 渗流特征参数计算结果(死水期)

图9 Y=295、X=395.5断面等水头线(死水期)

(a)防渗帷幕结构墙

(b)简化坝体剖面

2.3 防渗墙下坝体渗流场

为解决坝身与覆盖层渗漏问题，考虑布置合适的防渗墙，对坝体与地基上覆盖层连接面加固防渗，减弱渗透破坏作用对大坝稳定性威胁，大坝布置厚度为120 cm的帷幕结构墙如图10(a)所示，坝身处混凝土面板与防渗墙帷幕结构相连。为有限元软件分析方便，将防渗墙简化如图10(b)所示，各物理参数取值与前文一致，防渗墙渗透系数取10-9m/s。

由于前文分析正常蓄水期与死水期渗漏量基本接近，且渗透作用均反映在坝身与基岩上覆盖层，故本文以正常蓄水期工况开展分析加设防渗墙后大坝渗流场特性，同时为探讨防渗墙深度对大坝渗流场影响特征，设计方案1：深度为10 m，方案2：深度为20 m，方案3：深度为30 m，方案4：深度为40 m，方案5：深度为50 m。

图11为深度为10 m与深度为50 m大坝渗流场特征参数计算结果。对比两方案计算结果可看出，防渗墙深度为50 m比深度为10 m总水头分布更为均匀，上游水头在坝身与上覆盖层均有显著回落，压力水头显示两工况下岸坡顶部与基岩层分布基本一致，但防渗墙深度为50 m时，大坝最低压力水头有所降低；另外，在有防渗墙前提下，不论是深度为10 m，亦或是50 m，上游等水头线分布稀疏，表明防渗墙存在极大改善了大坝渗流特性。

(a)总水头

(b)压力水头

(c)等水头线及浸润线

图12为各方案中最大水力坡降变化与渗漏量变化曲线。从图12中可看出，防渗墙存在肯定会削弱大坝渗漏量，进而改变坝体渗流场特征，但从防渗墙深度来看，深度在10～40 m范围内，渗漏量随深度增加平缓降低，防渗墙深度为30 m比深度20 m渗漏量降低了1.2%，当防渗墙深度超过40 m时，渗漏量陡降，降幅超过55%，表明防渗墙深度超过一定界限时，分析认为该界限是上覆盖层厚度，只有超过上覆盖层厚度，穿过不透水层，防渗效果呈显著特征。从防渗墙内部水力坡降亦可看出，防渗墙深度增加，墙内部水力坡降持续增长，深度为50 m，水力坡降为25.31，相比深度10 m时，涨幅超过了399.2%。由此可知，防渗墙减少了坝体渗漏量，特别是穿过上覆不透水层后，渗漏量降低明显，且墙内水力坡降增大亦显著。

图12 最大水力坡降—防渗墙深度—渗漏量变化

3 结语

为分析某水电站混凝土堆石坝渗流场特性，利用Abaqus有限元软件，建立坝址数值模型，分别探讨了有无防渗墙措施条件下大坝渗流特性，得到了以下几点结论与认识：

1) 无防渗条件下，正常蓄水期与死水期总渗漏量基本接近，总水头、压力水头及等水头线分布呈相近态势，但正常蓄水期相比量值较高，且坝身与覆盖层渗漏总量占比超过80%。

2) 布设混凝土面板与防渗墙整体防渗结构，极大改善了坝体渗漏量，压力水头及等水头线等渗流特征参数分布较为均匀，水力坡降参数增大，防渗墙深度为10 m时水力坡降为5.07。

3) 防渗效果与防渗墙深度有关，当防渗墙深度超过大坝不透水层时，防渗效果显著，深度为30 m相比深度为20 m渗漏量降低了1.2%，但深度超过40 m时，渗漏量陡降，降幅超过55%。