基于ANSYS计算下水库土石坝渗流场与应力变形场特性分析研究

邱德俊，仲静文，周 洋

(南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210022)

水库在蓄水运营过程中，水流对坝体的渗流特性，会一定程度对坝体渗流与应力变形产生较大的影响，并促进坝体内部渗流活动和增大坝体应力集中，造成坝体失稳，因而水利大坝类渗流安全稳定性是水库运营重要关注方面[1-3]。针对土石坝安全稳定性，有些学者通过在坝体内部安装传感器，长期监测坝体运营状况，获得坝体渗流与应力变形数据，并分析数据之间的内在联系，作为评估大坝安全稳定重要参考[4-6]。水工模型试验是室内水工结构稳定性研究的重要手段，刘睿璇、刘小生等通过在室内构建土石坝水工模型，进行溃坝、渗漏破坏等破坏性试验，研究大坝渗流安全与应力变形临界允许区间，为工程中大坝安全设计提供数据参考[7-9]。数值仿真是工程中常用研究复杂工况的措施，针对不同渗流工况坝体安全稳定性[10-12]，计算获得坝体渗流场与应力变形场，及时高效获得水库坝体应力变形状态，为水库蓄水稳定性评估提供重要参考。

1 研究区概况

1.1 工程概况

某水库为安徽省东部地区重要蓄水工程，设计总库容为1800万m3，承担着区域内丰、枯水期水资源调度任务，该水库还承担着周围40 000 hm2农田灌溉，已建设输水渠道68.0 km，可在原有灌溉效率基础上提升23%， 另根据地区水资源规划年表可知，水库还是该地区工业用水重要来源，占规划年供水的26%。水库枢纽工程包括坝体工程与输水渠道两部分，其中坝体工程又涵盖了泄洪闸、消能池等水工结构设施，输水渠道主要以输水隧道和干渠为主。设计坝顶高程为2205.0 m，大坝总长度约为315.0 m，设计高度为87.5 m，坝顶宽度为8.8 m，上游坡比约为1∶1.5，水库正常蓄水位高程为2202.5 m，为保证大坝渗流稳定性，以60.0 cm厚度的防渗墙插入坝基上覆盖层中，坝体表面设置有土工隔膜防渗网，每个网格单元可降低渗漏量5.5 m3/s。输水渠道设计控制流量为0.9 m3/s，渠道已采用格宾石笼的衬砌结构型式连接至输水隧洞。水库的建设极大缓解了该地区水资源供需关系不平衡，缺水率过高的状况。

1.2 水库现状问题

根据现场调查发现，水库目前存在以下几个方面的问题。

(1)坝体渗漏。部分区段坝体内安装有传感器，发现局部地段内水力坡降在水位变化过程中趋于平缓状态，地下水低于库容水位等现象，局部地段监测到渗漏量。

(2)泥沙淤积。由于周围岸坡侵蚀严重，造成岸坡内部分岩土体发生滑坡或崩塌时，均被卷入水库内，造成水库内淤积较多泥沙等悬浮物质。

(3)岸坡稳定性。岸坡内粉、砂土形成的潜在滑动面，在外界降雨等影响下，极易发生边坡失稳，对水库大坝稳定性均有一定的影响。

在上述工程调查及室内岩土试验基础上，表明水库局部地区大坝出现渗漏及安全稳定威胁，为保证水库安全运营，应对水库坝体开展渗流与变形分析。

2 大坝渗流场分析

2.1 模型构建与计算参数

针对该水库土石坝渗流场特性计算，选择桩号1+175～1+235区段开展有限元建模计算，按照实际剖面资料绘出几何剖面图，如图1所示。给出土石坝体两个特征部位左侧坝肩与右侧坝肩三维网格模型图，如图2所示。本文在计算渗流场时，以坝体特征部位上典型断面为例分析。边界条件中的上下游水位分别为132.6 m、125.3 m，岩土体材料参数以室内土工试验依据计算。

图1 几何剖面图

图2 左侧坝肩与右侧坝肩三维网格模型图

2.2 稳定渗流

本文共计算了坝体六个特征部位的稳定渗流场，将土石坝分为左右两侧，分别与岸坡连接，另还有与混凝土坝体交界面。

图3为左侧土石坝的网格图及2个特征剖面渗透压力云图，1-1为未设置防渗墙剖面，2-2为设置有防渗墙结构剖面。从图3中可看出，左侧坝肩1-1剖面上渗透压力分布处于平稳不变状态，剖面上呈层次性分布，计算出1-1剖面上游水位高程为130.5 m，而下游水位高程基本与之一致，亦为130.5 m，即不存在显著水头差；相反，在2-2剖面上游水头值为130.5 m，但下游水头降低了2.1%，达127.8 m，即防渗墙存在，一定程度上削弱了水头在上下游的平稳过渡。

图4为左侧坝肩与岸坡连接处特征剖面渗透压力云图，1-1特征剖面处设置有防渗墙结构，从图中可看出，防渗墙前后水位降低了5.5%，而在防渗墙结构后，坝体内渗透压力区间界线基本保持水平，表明即使在防渗墙后存在较大渗透系数的岩土材料，但其渗透压力基本不会损失，即渗漏量对防渗墙后材料渗流稳定下威胁较小。从最大渗透压力可看出，三个特征剖面上最大渗透压力均分布在基岩层上，其中以1-1剖面上渗透压力最大，达293.6 kPa，由于防渗墙底部基础设置在基岩层上覆盖土层中，故而应考虑加深防渗墙插入深度。

图3 左侧土石坝渗透压力云图

图4 左侧坝肩与岸坡连接处渗透压力云图

图5为右侧土石坝渗透压力等值线图，从图5中可看出，由于在土石坝与混凝土坝接触部位设置有防渗墙与止水面板系统，上、下游水位高程均发生一定变化，其中，下游水位相比上游水位高程降低了8.0%，下游水流逸出点高程甚至降低了9.5%，其中土石坝与混凝土坝接触截面上，渗透压力为0，而在土石坝防渗墙后内部渗透压力387.5 kPa以上，但在接触界面上甚至为0，分析出现这种现象主要是由于防渗墙与土工膜的防渗系统是一种外在施加给坝体的防渗结构，实质上土石坝体内部材料渗透系数仍然较大，但混凝土坝相比来说，渗透系数较低，而这种极低的渗透系数防渗效果远远高于土石坝体的外在防渗结构，故而当土石坝体与混凝土坝体接触时，界面上渗透压力为0。

从右侧土石坝渗透压力等值线可看出，在土工膜止水系统前后，土石坝上浸润线发生下降，由上游的126.6 m下降至124.5 m，浸润线共下降2.1 m,即土工膜防渗系统一定程度能降低坝身浸润线，提升坝体渗流安全性。相比左侧土石坝，右侧土石坝最大渗透压力增大了36.9%，达402.0 kPa。从整体渗流安全性来看，右侧土石坝浸润线较低，但渗透压力较高。

图5 渗透压力云图与等值线图

2.3 非稳定渗流

水库运营过程中不仅存在稳定渗流状态，当地区突降暴雨或枯水季时，库水位的突升与突降均会一定程度造成坝体内部产生非稳定渗流，因而模拟坝体上游水位突降与突升过程中非稳定渗流特性，突升变化为133.0 m增大至135.0 m，突降为水位134.0 m降至131.0 m。

图6为突降与突升过程中右侧岸坡内部渗透压力变化云图，从图6中可看出，初始渗透压力为500.1 kPa，水位降低至目标水位后，渗透压降低了3.6%，为482.0 kPa，不论是初始水位亦或是降低至目标水位后，坝体内部浸润线位置实质上并未发生较大改变，由于土工膜存在，在水位突降过程中非稳定渗流活动受到抑制，故而呈现浸润线不随渗透压力变化而改变。水位突升过程中浸润线变化与前者工况有所类似，仅在初期状态下发生一定的上升，但在后期水位上升变化过程中，基本未发生较大变化，并维持稳定在125.5 m左右，渗透压力变化从初期499.7 kPa增大至后期的513.0 kPa。由此表明，在水位突升或突降过程中，坝体内部的非稳定渗流主要在防渗结构系统内部发生，而对坝体渗流稳定几乎无显著影响[13-14]。

图6 右侧岸坡内部渗透压力变化云图

为了准确了解坝体非稳定渗流状态，获得防渗墙上渗透压力云图，如图7所示。在水位突升过程中，渗透压力最大可达到598.7 kPa，且最大渗透压力仅分布在防渗墙剖面表面，在深层中渗透压力仍然较小，以285.8～332.3 kPa渗透压力为主，整体上渗流区间界线处于水平状态，非稳定渗流活动限制较强。在突降过程中亦是类似，其最大渗透压力达628.2 kPa。综合可知，不论是从浸润线亦或是上下游水流逸出点高程来看，坝体自身所存在的防渗墙等防渗结构系统可抵御稳定与非稳定渗流活动。

3 大坝应力场与位移场分析

根据稳定渗流设计工况下水位条件，求解坝体6个特征部位结构应力与位移特征参数。此6个特征部位分别为左岸、右岸土石坝，左侧岸坡肩与土石坝连接处，右侧岸坡肩与土石坝连接处，左侧土坝与混凝土坝连接处，右侧土坝与混凝土坝连接处。仿真模型计算结果在X正向为顺河流下游，Y正向为沿坝轴线向右，Z正向为坝体垂直向上方向。

图7 防渗结构渗透压力云图(突升、突降剖面)

3.1 稳定渗流工况

根据坝体各部位结构应力场与位移场最大值，将六个特征部位以A～F特征部位点代替，获得各部分结构处最大应力、位移变化曲线，如图8所示。

图8 位移、应力变化曲线

从图8中可看出，X向位移最大值位于右侧土石坝肩与混凝土坝连接处，为3.61 mm，但实质上左侧土石坝肩与混凝土坝连接处最大位移亦与之相近，为3.60 mm；左、右侧土石坝X向位移较小，稳定在0.70～1.15 mm，即沿水流(X向)方向位移土石坝处于较低水平。左、右侧土石坝肩与混凝土坝连接处Y向位移一致，均为4.10 mm，土石坝Y向位移仍然较小，最大仅为0.30 mm。Y向最大位移出现在右侧岸坡肩与土石坝连接处，达6.2 mm。左、右岸坡肩与土石坝连接处，左、右侧土石坝肩与混凝土坝连接处两两Z向最大位移值一致，分别为42.9 mm、41.4 mm，其中最大位移为42.9 mm方向向上，土石坝体沉降值最大仅为19.6 mm，位于左岸土石坝，为坝高的0.02%，符合规范要求允许值。各特征部位处第三主应力水平均高于第一主应力，其中第一主应力最高为左、右侧土石坝肩与混凝土坝连接处，达152.6 kPa，属拉应力，相比于原材料抗拉强度值，均处于安全范围，左、右侧土石坝最大拉应力值分别为35.2 kPa、14.8 kPa，相比土石坝所能承受最大拉应力值，处于合理区间。最大压应力为1957.5 kPa，属右岸坡肩与土石坝连接处，左、右侧土石坝最大压应力为前者的45%～55%，压应力值相比材料抗压强度较小。综合位移场与应力场计算可知，坝体安全稳定性良好。

3.2 非稳定渗流工况

非稳定渗流工况中，以右侧土石坝水位突升工况下位移场为例分析，获得如图9所示结果。从图9中可看出，X向最大位移值为0.7 mm，Y向位移最大值为0.1 mm，从分布形态来看，X向位移中上游侧高于下游侧，Y向最大位移贯穿坝顶，穿过上、下游侧，但量值均处于较低水平；Z向沉降位移最大为15.0 mm，为坝高的0.017%，远远低于规范要求的临界1%坝高。对比稳定渗流工况，非稳定渗流工况中土石坝在各方向上的位移值均低于前者，即非稳定渗流工况实质上对坝体应力位移场扰动几乎是无影响。应力场以水位突降时岸坡肩与土石坝连接处为例分析，如图10所示，最大拉应力为49.2 kPa，位于坝身表面，最大压应力为1959.5 kPa，均符合材料安全强度。相比稳定渗流工况，最大拉、压应力实质上并未发生较大变化，最大拉应力仅增长了14.5%，压应力甚至相差仅为2.0 kPa。分析表明，非稳定渗流工况中，坝体各方向位移值与应力值变化均处于合理区间，稳定性较好。

图9 右侧土石坝体位移场分布

图10 岸坡肩与土石坝连接处应力云图

4 结 论

利用ANSYS软件计算了水库土石坝体6个特征部位稳定与非稳定渗流场、应力变形场特性，有以下几点结论。

(1)研究了稳定渗流工况下，坝体各特征部位结构在防渗墙等防渗措施下均会出现浸润线降低、水流逸出点高程下降等现象，防渗措施效果显著；左侧土石坝、左侧坝肩与岸坡连接处分别在防渗墙前后水头降低了2.1%、5.5%，右侧土石坝浸润线下降了2.1 m。

(2)分析了非稳定渗流工况下，不论水位突升或突降，坝体内部的非稳定渗流主要在防渗结构系统内发生，而对坝体自身结构渗流稳定几乎无显著影响；右侧岸坡内经防渗墙后浸润线长期维持在125.5 m左右，防渗墙内渗流稳定，渗透压力以285.8～332.3 kPa为主。

(3)获得了稳定渗流工况下，坝体最大拉、压应力为35.2 kPa、1957.5 kPa；X、Y、Z向最大位移为3.61 mm、6.2 mm、42.9 mm，土石坝最大沉降为坝高的0.02%；位移值与应力值均表明坝体处于安全稳定。

(4)研究了非稳定渗流工况下，右侧土石坝体X、Y、Z向最大位移为0.7 mm、0.1 mm、15 mm，最大拉、压应力为49.2 kPa、1959.5 kPa，非稳定渗流工况中土石坝在各方向上的位移值均低于或接近稳定渗流工况，坝体应力位移场扰动几乎不受非稳定渗流影响。