独特心墙形式土石坝工程除险加固效能评价分析研究

顾艳玲 杨 孟

(1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098)

我国现有堤坝工程数量庞大，其中绝大多数是土石堤坝，在役期间其不可避免地遭受不利环境荷载、材料疲劳效应及外界侵蚀等多因素耦合效应作用[1-2]，对土石堤坝而言，其最突出的病患即为渗漏病害，从溃坝相关资料中得知，渗流导致溃坝的情况占29.1%[3]；根据国内外的调查资料，渗流冲刷破坏溃坝的情况占40%，与渗流密切相关的滑坡破坏占大约15%[4]。在蓄水后，由于较大水头的作用，在坝基较薄弱的地方会产生渗流破坏，渗流破坏对于水工建筑物的稳定会产生不利影响，也会引起地基的渗透破坏[5]，渗流过大也会造成水库的严重漏水，一般工民建工程不存在此问题，使得渗流问题成为水工方面独有的问题。因此加强堤坝工程渗漏病害防治意义重大。

澄碧河水库主体工程为土石坝工程，其为混凝土心墙和黏土心墙的组合结构，为极为少见的特殊型式。对土石坝工程进行渗漏渗流等安全要素的分析是坝体工程设计的重要前提，也是估算土石坝工程多方效益的重要保障。

对土石坝工程进行渗流计算分析的研究方法主要有理论求解、物理模拟、数值模拟三种。其中，有限元方法作为数值模拟法的一种是使用最多的方法之一[6]。利用有限元法可以进行稳定渗流和非稳定渗流分析，可以对二维、三维的模型进行处理，不仅可以面向堤防工程的非均质性特点，也能针对各向异性开展研究，因此现有的渗流计算理论基本可以满足一般类似堤防工程的渗流分析需要[7-9]。对于自由面情况下的渗流分析而言，主要是关于不变网格的计算方法，也就是在固定化的网格中研究，代表性的方法有：吴梦喜等的虚单元法[10]；针对三维问题开展应用提出的改进法，如张有天依据剩余流量法，引入非线性应力分析，进而得出初应力的概念，并且提出了初流量法[11]；Neuman针对固定化的网格研究提出了Galerkin方法；Desai针对该问题提出了剩余流量法[12]。

本文在对土石坝渗流计算方法和浸润线确定方法进行分析的基础上，借助APDL语言进行二次开发，建立了该独特心墙型式的土石坝加固前、后的渗流场分析模型，进而对加固前后该独特类型的土石坝的渗流性态进行了定性与定量化的对比分析，对其他工程具有极好的借鉴意义。

1 独特心墙形式的土石坝分析

澄碧河水库枢纽工程是在特殊的历史背景下兴建的，是典型的“三边”工程，见图1～图2，施工质量较差，留下较多隐患。历史上经过多次加固，仍未消除其安全隐患，致使水库长期限制水位运行，不能发挥正常效益。该土石坝工程为混凝土心墙与黏土心墙结合的土石坝，最大坝高70.40m。初期，在大坝上游坝坡高程174.0m以上做黏土防渗斜墙；后期，开始混凝土防渗心墙的设计与施工。混凝土防渗心墙施工完毕后，坝顶加高至190.40m。

图1 独特心墙型式土石坝工程加固前工程图

总体上，混凝土心墙修建后，墙前、墙后水位差较大，下游出逸点较低，使原来大坝坝体严重的渗漏情况得到了很大的改善，坝后坡体上成片的渗漏点基本消除。但该心墙建成已经近40年，随着使用年限的增加，其防渗能力在逐渐降低，需要进行除险加固，通过对防渗墙进行全面的检查，根据检查情况，在局部区段进行高喷灌浆。下游坝坡加固处理方案主要从两个方面考虑：其一，在抗震工况下，下游坝坡抗滑稳定安全系数不满足规范要求；其二，坝顶宽度不满足规范要求。因此，建议采用坝坡放缓方案进行加固，初步拟定采用振冲加固方案，对大坝上游坝坡进行加固。

该独特心墙型式土石坝的渗流主要是指水流在多孔介质内流体的流动[13-15]。渗流情况依据水头、水力梯度等表征量是否随时间变化又分为稳定渗流和非稳定渗流[16]。

2 独特心墙型式土石坝工程除险加固效能评价分析

基于前述土石坝浸润线的判定分析方法和渗流分析的理论计算方法，本小节针对该独特心墙型式土石坝工程特点，应用ANAYS软件中的APDL语言进行二次开发，编制了土石坝渗流分析程序，对某土石坝加固前后渗流场进行模拟分析，评价其加固方案性能。

2.1 独特心墙型式土石坝工程渗流计算程序二次开发

基于独特心墙型式土石坝工程渗流计算分析的需求，根据虚点法原理计算渗流，并基于APDL单元生死技术来实现。首先假定浸润线的位置，不断地迭代计算，直到前后两次迭代差值满足限差为止，找到浸润线以及逸出点位置，且计算总的渗流量。

在相似的边界条件下，可以通过ANSYS热分析模块来分析渗流场，但是关于浸润线问题应用单元生死技术更为合适，需要二次开发。独特心墙型式土石坝工程的渗流存在自由面，自由面以下称为饱和土体，其具有固定的渗透系数，自由面以上部分认为是不参与渗流计算的主体，对于定解条件，假定浸润线的法向渗流速度为零。二次开发的思路为：首先假定独特心墙型式土石坝工程的浸润线以及下游出口处的位置，根据假定的边界条件进行不断的运算，然后设定限差，两次求解的总水头的差值满足给定的限差时计算结束。

自由面的计算是渗流分析中的难题之一，渗流自由面是渗流场中的待求边界，需同时满足第一类边界条件和第二类边界条件。在目前的大多数固定网格方法中，确定自由面的计算较为复杂，依赖性强。本文提出使用局部网格变动方法来分析该独特心墙型式土石坝工程除险加固工程，该方法既能简单地将旧迭代的网格变形成新迭代后要求的网格，也能采用贴体坐标变换技术，使每次迭代过程的网格全部重新生成。根据上述过程，要假定浸润线的出口点位置，并利用APDL单元生死技术不断地对在浸润线以上的部分进行单元“杀死”操作。浸润线以下的部分一直处于“生”的状态，只参与计算，一直循环进行直到满足限差，结束循环。具体的操作流程见图3。

图3 独特心墙型式土石坝工程渗流二次开发程序

2.2 除险加固效能结果分析

基于该工程特点和大坝的加固方案，分别构建大坝加固前后的有限元计算模型，见图4～图5。

图4 加固前大坝有限元模型

图5 加固后大坝有限元模型

针对该坝特点，选择最大河床断面进行二维渗流有限元分析。其材料分区有坝体风化土区、心墙黏土区、混凝土防渗墙区、排水棱体区和坝基基岩层区，渗透系数取值依次为2.0×10-4m/d、2.0×10-5m/d、2.0×10-6m/d、1.0×10-3m/d、2.0×10-5m/d。

根据上述基本资料和计算模型，对该大坝加固前后正常蓄水位下的渗流场进行计算分析。渗流要素计算结果见表1，加固前和加固后各工况下总水头和压力水头等值线图和云图见图6～图13。

图6 加固前正常水位下压力水头线云图

图7 加固前正常水位下压力水头等值线

图8 加固后正常水位下压力水头线云图

图9 加固后正常水位下压力水头等值线

图10 加固前正常水位下总水头云图

图11 加固前正常下水位总水头等值线

图12 加固后正常水位下总水头云图

图13 加固后正常水位下总水头等值线

基于二次开发的计算，得出了正常蓄水位下渗流要素计算结果，见表1。

表1 正常蓄水位下渗流要素计算结果

对比分析可知：

a.大坝原混凝土防渗墙起到了防渗作用，坝体渗漏量较小。

b.大坝加固前后坝体下游浸润线均从排水棱体中出逸，大坝渗流形态安全。

c.大坝加固前后，大坝渗流形态没有明显变化，大坝渗流安全。

d.混凝土防渗墙和黏土防渗结构的结合部位有水头线聚集现象，说明该区域具有较为复杂的渗流特性，在加固前后对比发现，加固后的水头线密集程度明显降低，表明加固过程对改善混凝土防渗墙和黏土防渗结构的结合部位渗流状况具有较好的效果。

以上成果在认为混凝土心墙质量满足要求的情况下获得的。地勘及观测资料表明：混凝土心墙内存在横向和纵向裂缝。混凝土心墙连续性较差，局部存在波速较低的部位。随着防渗墙使用年限的增加，部分墙段的水位差在减小，坝体渗润线在逐渐抬高。但在现阶段，混凝土心墙质量缺陷难以模拟。因此，拟在全面检查后，确定处理范围。

3 结 论

基于黏土心墙和混凝土心墙组合形式下独特心墙结构的土石坝工程，给出了浸润线的判定分析方法和渗流分析的理论计算方法。针对该独特心墙型式土石坝工程特点，应用APDL语言进行二次开发，编制了独特心墙结构的土石坝工程渗流分析程序，对某土石坝加固前后渗流场进行了模拟分析，评价了除险加固效能，对其他工程有很好的借鉴意义。

a.依托独特心墙型式土石坝工程，充分考虑水头、渗流速度、孔隙水压力、渗流力、渗流量等要素，采用单位重量意义上的土水势概念，确定其浸润线构建方法，并基于该方法，确定了使用APDL语言进行二次开发的构建思路。

b.该土石坝工程为基于黏土心墙和混凝土心墙组合形式下的独特心墙结构，确定了其初始条件、边界条件等重要因素，并分析了其渗流计算方法，并基于二次开发的构建思路，进行了独特心墙型式土石坝渗流计算二次开发，计算得出了其渗流结果。

c.计算得出了大坝加固前后正常蓄水位下的渗流场的总水头和压力水头等值线图和云图，计算求解了正常蓄水位下混凝土防渗墙内最大渗透比降、下游坝壳料最大渗透比降、总渗漏流量等数值，并进行了多方面的对比分析，得出了大坝加固方案的效果极为明显的结论，对其加固效果进行了定性与定量化的全面有效评价分析。