水利工程灌浆三维建模及稳定性分析

徐 建 忠

(浙江中水东方建设工程咨询有限公司，浙江 杭州 310005)

0 引 言

近年来，水利行业随着BIM技术的大力普及，水利工程的可视化仿真发展突飞猛进，尤其是复杂地质模型的仿真建模得到了前所未有的提高。运用Inventor软件建立水利工程的三维模型和建筑物的实体模型，再结合ABAQUS的实体布尔运算功能，可以有效规避inventor实体模型导入ABAQUS时几何信息错误的产生。采用ABAQUS网格划分和优化实体模型，可以创建三维渗流有限元网格模型，进而分析其稳定性，同时，还可以将此项研究成果作为三维仿真建模与数值计算分析(CAD/CAE)集成技术的参考[1]。本文选择了某水库工程作为研究对象，探究三维建模在水利工程灌浆稳定性分析中的应用。

某水库工程位于浙江地区，工程等级为Ⅲ级，土石坝是其主要水工建筑物坝型，其最大坝高为83.5 m，建筑等级提高Ⅰ级至Ⅱ级。大坝采用黏土心墙防渗。心墙顶宽5 m，上下游坡比1︰0.25。在心墙底部设置1.5 m深的黏结槽。将0.5 m厚C15混凝土垫层分别设置在黏结槽底以及基础接触面，设置两层反滤层心墙于下游。大坝上下游坝坡比分别为1︰1.9和1︰1.7。

1 坝基防渗设计

河床冲洪积层和岸坡残积层应彻底清除；除两个断层的坝心墙缝槽嵌入基岩2.8～2.5 m外，其余部位的坝心墙缝槽一般嵌入基岩1.5 m。心墙使用固结灌浆为基础，保持5 m的深度。保持8 m的固结灌浆深度在两个断层之间。大坝装有三排帷幕。大坝心墙轴线是大坝主帷幕灌浆轴线所在。辅助帷幕位于主帷幕上游1.2 m处。主幕和副幕为悬挂式，主帷幕灌浆底界由0.8倍水头控制。辅助帷幕布置在河床段和0.5倍水头以下的右坝段。第三排帷幕设置在另一断层处，位于主帷幕下游侧，底界与主帷幕相同。大坝帷幕灌浆防渗标准为Q≤ 3 Lu，固结灌浆防渗标准为Q≤ 5 Lu。

2 稳定性分析理论

根据达西定律，将坝区渗流场视为非均质各向异性不可压缩土的三维稳定渗流场。三维模型稳定性的渗流控制方程为[2]：

(1)

式中xj为坐标，i=1，2，3；ky为一个二阶对称渗透率张量；h为总水头；Q为渗透池中的源项或汇项。

计算中使用的渗流计算边界见图1，边界条件理论如下：

(2)

图1 渗流计算边界示意图

其中，已知函数是h1和h2；渗流边界平面外法线的余弦是ni，i = 1， 2， 3；可知水头的第一类渗流边界条是Γ1= BG和CD，第二类渗流边界条件是Γ2= GA、AF、FE和 DC ，渗流池中真实和假想渗流区域之间的渗流自由面是Γ3= GE，渗流逸出面是Γ4= ED，因为事先并不了解渗流逃逸点E的具体位置，以及所有逃逸面具体的尺寸，所以，这属于边界非线性渗流问题，要经过迭代求解可知，边界法向流是QN，流出为正。

3 三维有限元建模

依据本项目工程的地形地貌，了解主要结构面断层的分布，结合建筑物设置和防渗措施，构建出涵盖心墙坝结构(黏土心墙、反滤层和堆石区)、灌浆帷幕、灌浆盖板、固结灌浆等在内的本项目工程的三维有限元模型，同时模拟了坝基的主要断层和基岩，其中包括基岩、断层、河床溶蚀带等[3]。

首先，从项目的工程高线图中找出等高线点数据，使用rhino软件创建三维地形曲面，建立基础实体，然后导入到Inventor 软件中。Inventor可以创建坝基开挖面、溶蚀带实体、渗透性边界面、断层实体、固结灌浆实体、大坝分区实体、帷幕灌浆实体。由于模型的复杂性，如果在inventor中通过布尔运算形成项目建筑实体，然后将其导入ABAQUS，则经常会发生几何错误，以致于造成操作失败。运用超强的ABAQUS布尔运算功能，导入由invnetor创建的各种实体和曲面，然后进行布尔运算，以此完成最后的工程建筑实体。ABAQUS 能够准确识别实体并将它们以平滑网格划分。

该项目工程的三维模型共有422 340个单元，74 123个节点，主要组成部分为四面体单元。其生成的三维有限元网格模型，主要分为大坝模型、断层和河床溶蚀带模型、固结灌浆、灌浆盖板、四个断层模型以及防渗帷幕模型[4-5]。

4 材料渗透性、边界条件及计算工况

4.1 材料渗透特性参数

依据主要建筑材料室内试验/地层、主要结构面综合、钻孔水压试验结果，该项目工程材料分为多个材料区，材料渗透特性参数见表1。

表1 材料渗透特性参数

4.2 边界条件

将计算区域周围的截止边界和底边界条件视为水头界面；在地表边界坝轴线上游方向，水头边界要低于水库上游1 551.92 m的位置；已知水头边界条件位于坝轴线下游侧，也低于下游水位的位置，可能的渗漏逸水面要高于下游水位的位置。

4.3 计算条件

计算工况(表2)综合了河床段基岩局部帷幕损坏对库区水流造成的影响，标明了此次工程三维稳定性有限元计算的分析工况。

表2 计算工况

5 计算结果及分析

5.1 帷幕完整条件下的工况

通过ABAQUS的非饱和渗流分析模块进行渗流计算。从该项目渗流特征结合区域整体渗透场图来看，具备明显的三维渗流特征[6]：蓄水之后，库水通过坝基渗透带向下游渗漏，同时绕过左右坝肩经过两岸渗透带。因此可得出：(1)坝体防渗心墙以及坝基帷幕灌浆的效果非常明显，大坝渗流场水头势等值线分布具备高密度，并在心墙内大量减小总水头差；(2)从两岸渗流场分布看，在两岸延伸帷幕作用下，左右岸地下水位显著降低，尤其是两岸坝肩段。由于地质条件很差，沿河床和溶蚀带上下游均有断层穿过，对库区渗流产生不利影响。经过处理，坝体浸润线在心墙内迅速下降，水位等电位线在心墙、混凝土垫层、固结灌浆带、帷幕内密集。由此可见，防渗体系的效果是明显的。

坝体和坝基的渗流是该项目工程防渗设计中特别关注的内容之一。在正常蓄水位情况下，该项目工程大坝、坝基等部位的渗流情况见表3。在计算范围内，库区总渗流量为54.31 L/s，年渗流量约867.45 m3(按水库满库6个月计算)，占水库库容的2.47%。坝段渗流量为39.03 L/s，其中心墙渗透性为4.38×10-6cm/s，坝体渗流量为0.87 L/s，仅占坝段总渗流量的2.36%，坝段坝基渗流量为37.12 L/s，左岸山体渗流量为5.02 L/s，右岸山体渗流量为10.19 L/s。

表3 大坝、坝基等部位的渗流情况

通过水力梯度值针对坝体、坝基的一些重要部位展开分析，以便于更深入评估坝体和坝基的稳定性、安全性。 经计算，心墙最大水力梯度值为2.317。有必要在心墙下游侧设置反滤层，以防止黏土心墙出现裂缝时心墙土壤持续侵蚀和流失。混凝土盖板、固结灌浆以及帷幕的水力梯度值均低于允许值，符合渗透稳定性要求。左坝肩断层以及右坝肩断层的最大水力梯度值分别为1.323、0.541，2.520，为河床段断层的最大水力梯度值。所以，在断层下游的裸露区域安装适当的过滤层势在必行。

5.2 局部帷幕破坏研究

表4体现了部分渗流条件下帷幕的破坏情况。从中可以看出，在A2、A3和A4工况条件下的总渗流量比A1工况条件(帷幕完好)分别增加了3.61 L/s、3.05 L/s和5.40 L/s，增加百分比分别为6.7%、5.6%和10.0%，说明断层和溶蚀带外帷幕灌浆的质量对枢纽区的渗流有很大影响。同时还可看出，在部分帷幕破坏的情况下，断层和溶蚀带的水力梯度值比帷幕完整条件下大，不利于渗流的稳定性。

表4 部分渗流条件下帷幕的破坏情况

6 结 语

BIM技术的推广和发展，为实现建立模拟水利工程的有限元模型提供了无限可能，同时，也强化了数值模拟分析在工程建设以及安全评估时的重要影响。通过三维稳定性有限元计算分析得知，坝基是此次项目工程渗漏最主要集中位置，左右岸岸坡是次要位置。为了防止断层中填料的渗透损失，有必要在三条断层的暴露下游铺设过滤材料。研究发现，假如断层及河床溶蚀带的帷幕受损，也会影响到总渗流，对促进断层和溶蚀带的稳定性和安全性有不利影响。所以，应该在帷幕施工时，对幕墙的施工质量进行严格管控。