基于数值模拟的堤坝渗流和位移分析

李沛沛，郭金林，吕丹宁

(威海市水文中心，山东 威海 264009)

1 概 述

在水利工程中，堤坝工程的作用十分重要，对此学者们进行了大量的研究。李向阳等[1]利用COMSOL对土石堤坝的渗流场进行了研究，结果表明土体破坏后，土体的电阻率会有明显变化，通过土体电阻率的变化可对土石堤坝的渗漏进行判断。朱峻[2]对土工膜在堤坝防渗层中的防渗效果进行了研究，结果表明土工膜密封系统增加了通过坝基的流动路径，使进入大坝的孔隙压力较低，进而达到防渗的要求。刘俊谊等[3]通过数值模拟对装配式堵口装置的封堵效果进行了研究，结果表明堵口装置的布置方式，对于封堵水流的效果有不同的影响。武慧芳等[4]研究了高强度塑钢板桩在堤坝边坡的支护效果，结果表明塑钢板桩若贯穿滑动区，则能够有效地对堤坝进行支护。蒋晓君等[5]对地震作用下堤坝边坡的防渗效果进行了研究，结果表明地震作用下浸润线会发生一定变化，导致边坡的稳定性降低。伍明兆等[6]对堤坝的瞬态渗流进行了研究，结果表明堤基、堤身和岸坡是堤坝的防渗重点区域。刘华等[7]对堤坝土体内部孔隙的渗流效果进行了研究，结果表明土体的孔隙率越小，孔隙通道连通性越好，对应的渗流流速越大，孔隙率与渗流流速呈反比例变化关系。赵丹[8]对不同工况条件下的堤坝稳定性进行了研究，结果表明逐级支护工况下堤坝的稳定性效果最佳。

以上研究均未涉及堤坝的位移分析。因此，本文结合MIDAS GTS数值模拟软件，对堤坝的渗流、位移和塑性区进行综合分析，以便对堤坝工程进行较为全面的评估。

2 工程概况

某水库大坝控制径流面积5 km2。水库原设计总库容约300×103m3，水库主要为周边灌区供水水源，排灌干渠渠道全长11.49 km。堤坝主要由坝体、心墙、反滤层组成，堤坝建于基岩上，堤坝长100m、宽150m、高30m(图1)，堤坝的物理力学性质见表1。

图1 堤坝三维实体图

表1 堤坝物理力学性质

3 数值模拟

3.1 模型参数

对堤坝材料进一步提取渗透条件下的力学参数，心墙的饱和容重为21 kN·m-3，渗透参数kx、ky和kz均为1.92×10-5m/s，黏聚力为30kPa，内摩擦角为35°。反滤层的饱和容重为22 kN·m-3，渗透参数kx、ky和kz均为1.0×10-4m/s，内摩擦角33°。坝体的饱和容重为22 kN·m-3，渗透参数kx、ky和kz均为1.5×10-2m/s，内摩擦角39°。基岩的饱和容重为23 kN·m-3，渗透参数kx、ky和kz均为1.2×10-5m/s，内摩擦角43°。

3.2 模拟步骤

建立模型，并对心墙、反滤层、坝体和基岩赋与参数。对坝体赋与初始水位20m水位值，再赋与72s时间段内5m的水位值，最后赋与100s时间段内5m的水位值，当水位值稳定在5m时，可认为坝体处于渗流稳定状态。当坝体水位值赋与完成后，对坝体实现渗流初始阶段、瞬时阶段和稳定阶段的建模。数值模拟计算至模型稳定时截止。

3.3 隧道开挖后位移

数值模拟计算完成后，坝体的位移见图2。

图2(a)中，大坝在施加渗透水压后，最大压力水头值为47.1m，主要集中在坝体右侧底部，该区域占整个坝体的0.6%，超过30m压力水头的区域占整个大坝约2.4%。由该比例数值可知，压力水头并没有发生集中现象，不会对大坝的安全造成不良影响。坝体左侧压力水头值为负，最大值为21.1 m，说明该区域为溢流面，模拟结果与实际工程相符。

图2(b)中，总水头最大值为15.4 m，超过10 m水头的区域主要集中于右侧坝顶处，该区域占整个坝体的27%；最大负水头值为26.1 m，超过10 m的负水头区域约占整个坝体的24%，该区域主要集中在坝体左侧底部区域。以上总水头数值及所占区域与实际工程一致，且均在工程允许的范围内，不会对坝体工程造成不良影响。

图2(c)中，水头流量值范围为2.23×10-4～8.31×10-3m/hr，流量值分布在整个坝体范围内，分布较为均匀，且流量值也控制在合理的范围内。

图2 大坝流量分析

由图2可知，渗流作用下水坝的压力水头、总消减和水头流量值与实际相符，且均控制在工程允许的范围内，不会对坝体的安全造成隐患。

3.4 基坑开挖后受力

基坑开挖后，锚杆和围护桩所受应力见图3。

图3 坝体的位移

图3(a)中，最大水平位移主要集中于坝顶处，数值为13mm，超过10mm的区域约占整个坝体的14%，说明水平位移并没有发生位移集中，且以上数值均小于坝体的预警值20mm，从水平位移角度分析，坝体的建设满足工程要求。

图3(b)中，最大总位移主要集中于坝顶处，数值为15mm，超过10mm的区域约占整个坝体的16%，说明总位移并没有发生位移集中，且以上数值均小于坝体的预警值20mm，从总位移角度分析，坝体的建设满足工程要求。

由图3可知，坝体的水平位移与总位移数值接近，发生位移区域也接近，说明坝体的位移主要为水平位移。另一方面，坝体的水平位移和总位移值均不超过20mm，从位移的角度上分析，坝体的建设满足工程要求。

坝体建成后的塑性区见图4。由图4可知，塑性区主要集中于心形墙右侧区域，但塑性区没有贯通，坝体的滑动面并没有生成，说明坝体的设计满足工程要求。后期若需要对坝体进行监测，心形墙右侧区域是监测的重点。另外，由图4可知，坝体右侧将是后期防护的重点。

图4 坝体的塑性区

4 结 论

本文利用MIDAS GTS对堤坝进行数值模拟研究，结论如下：

1)堤坝最大压力水头值为47.1m，该水头区域主要集中在坝体右侧底部，没有发生水头集中现象；最大负水头值为26.1 m，超过10m的负水头区域约占整个坝体的24%，该区域主要集中在坝体左侧底部区域，以上结果与实际工程相符。

2)水头边界产生的流量值范围2.23×10-4～8.31×10-3m/hr，流量值分布在整个坝体范围内，流量分布较为均匀，且流量值也控制在合理的范围内。

3)坝体的最大水平位移主要集中于坝顶处，数值为13mm；坝体的最大总位移同样也主要集中于坝顶处，数值为15mm；坝体的水平位移和总位移值均不超过20mm，从位移的角度上分析，坝体的建设满足工程要求。

4)坝体塑性区主要集中于心形墙右侧区域，但塑性区没有贯通，坝体的滑动面并没有生成，说明坝体的设计满足工程要求。后期若需要对坝体进行监测，心形墙右侧区域是监测的重点。