泸西县平海子水库工程大坝渗流的数值模拟分析

杨连骅

（广东省水利水电建设有限公司,广东 广州 510630）

泸西县平海子水库工程大坝的坝型为均质土坝,其具有地质要求低、造价低等特点。我国现有土石坝工程较多,在其研究过程中,最重要的就是土坝的安全性[1],而影响土石坝安全的核心因素为渗流,其会对工程的安全与造价产生直接影响。大部分工程溃决的原因都是因为渗流的控制设计方面存在缺陷[2]。泸西县平海子水库的修建时间较早,受限于当时经济、技术的发展,坝体土料不均匀、坝基清理不彻底、坝体碾压质量存在较大差异[3],走位对渗漏区域展开防渗处理,在长期运行后己成为病险水库,具有坝体严重渗漏、外坝坡面严重变形等问题[4]。而泸西县降雨的季节性特征显著,当暴雨降临时,水库水位暴涨,大坝两侧低洼出漫水,洪水逼近坝顶,坝身多处出现管涌,抵御灾害的能力较弱,所以需要对当地的水利设施予以重新检测和评价,在扩建过程中完成除险加固[5]。通过对泸西县平海子水库的扩建,从根本上解决坝体病险问题,扩大了水库的防洪库容,令泸西县的防洪抗险能力整体上提高了一个层次,从而保障了当地人民的安全[6]。泸西县平海子水库工程大坝的建设,能够在汛期时拦截丰裕的来水资源,将其储存在水库内,方便供枯期时用水,极大程度上缓解干旱的灾情,令灌溉区域土壤的资源优势得以充分发挥,具有积极的作物产量提升作用。针对土石坝工程的渗流控制设计施工,本文提出基于有限元分析软件ANSYS 的水库工程大坝渗流数值模拟,对泸西县平海子水库工程大坝的稳定渗流问题展开了有益的尝试[7]。

1 工程概况

平海子水库位于泸西县永宁乡境内,水库地处县城南部23 km 处,坝址位于小江河中下游工农隧洞出口下游,修建在一个溶蚀洼地谷盆中,除西之外的地形较高,建造有一坝顶长220 m 的均质土坝,正常蓄水位与校核洪水位的标高分别为1636.50 m、1637.89 m,总库容为294.10 万m3,有直通公路,交通便利。扩建后的平海子水库是一座中型水利工程,能够同时完成农业灌溉和防洪抗险,总库容扩大至1067.2 万m3,坝高最大为29.5 m。水库新设3 号坝,拟定的坝型为粘土斜墙风化料坝,坝顶标高55 m,正常蓄水位标高1653.47 m。

2 大坝工程地质

2.1 坝线、型比选

基于工程与水文的地质条件、水工建筑物部署以及工程量给出上坝线建议,坝体包括1、2、3 号坝,然后对填筑、防渗的土料以及风化料的指标质量与储量的条件因素进行综合考量,选择粘土斜墙风化料坝为三座坝体的坝型。

2.2 老坝体工程地质条件

受限于当时的施工条件,老坝体筑坝时的坝体较薄、渗透性较大、力学强度较低,坝基、坝肩位置具有一定的渗漏情况,严重影响粘土斜墙截水槽,需要对部分展开挖除处理。

2.3 拟扩建坝址工程地质条件

以1 号坝为例,该坝为粘土斜墙风化料坝,全长980 m,坝高最大值为29.5 m。

2.3.1 坝基渗漏及渗透稳定

坝基与坝肩基岩具有溶隙、脉管渗漏情况,年漏失量估算结果为5290.24 万m3,漏水量近似为扩建水库正常库容的5 倍左右,渗漏情况十分严重,急需展开防渗处理,坝基整体区域内的Qalp、Qeld土体与强风化岩体允许水体坡降高于实际渗透比降,其渗漏不发生破坏。但Qalp、Qeld表层2.5 m 的松散土体存在出现流土破坏的风险,需要对其整体进行清除。

2.3.2 坝基强度和压缩变形

坝基表层为Qeld1含砾高液限粘土层覆盖,仅需清理上层压缩性较高的土体,其余当作坝基持力层,下伏T2gd2白云岩,其具有较高的强度以及地基允许承载力、抗剪强度,具有较强的抗变形力,符合上方坝体的所有承压条件。

2.3.3 坝基抗滑稳定

清除浅部结构松散强度低的坝基表层Qeld土层段,以剩余具有一定抗剪强度的土体为上方坝体的持力层。基岩全风化层零星分布在坝基位置,其具有厚度薄、不连续的特征,对坝基抗滑稳定的影响较小。强风化层节理裂隙发育,具有不利结构面组合体,但是整体规模较小,对整体坝体抗滑稳定无影响。强风化以下岩体整体性好且抗剪强度高,无抗滑不稳定问题。

2.3.4 坝基土地震液化

坝基清基后余下的地基土层为Qeld1含砾高液限粘土层和T2gd2白云岩全风化层。按照《水利水电工程地质勘查规范》（GB 50487-2008）附录P 土的液化判别,区间Qeld粘粒含量为55%~79%,全风化层粘粒含量也约为23%,都高于规范规定值,区间全部土体都不会发生地震液化。

2.3.5 坝基开挖边坡稳定性

坝基截水槽与清基深度较浅,清基后基础都是第四系松散土体,受水的作用影响存在滑动与蠕变的风险,边坡稳定性差。

2.3.6 坝基开挖基坑涌水量预测

整体坝基地下水位掩埋较深,都在开挖的基坑之下,所以形成基坑后无涌水。

本研究选取泸西县平海子水库工程大坝1 号坝为研究对象,根据该实例大坝水文地质资料可得知,该坝的填土主要为砂岩,计算参数见表1。

表1 平海子水库工程大坝计算参数

2.4 上游坝坡处理

因为上游坝坡可能会发生滑坡,不符合渗透稳定条件,所以需要通过在上游坝坡铺设土工膜实现防渗。依据土工膜规格及规范处理要求,选取渗透系数为1.2×10-11cm/s,厚度为6 m 的土工膜。其中,土工膜只具有防渗功能,不影响大坝强度,其主要原理是通过减少坝体内部渗透水压提升坝体安全性,后续研究工作中可忽略土工膜的作用。

3 泸西县平海子水库工程大坝渗流的数值模拟分析

3.1大坝模型介绍

结合上述大坝资料利用有限元分析软件ANSYS 构建平海子水库工程大坝的模型,并对其展开网格划分,网格划分后的坝体模型见图1。

图1 坝体模型网格划分图

3.2 基于ANSYS 的大坝渗流计算原理

基于ANSYS 的渗流计算原理对泸西县平海子水库工程大坝进行渗流计算,结合理论、微分方等说明ANSYS 渗流场计算原理,证明ANSYS 计算的合理性。

3.2.1 渗流场基本理论

基于达西定律可v得,多孔介质渗流符合公式（1）,表示为：

式中： 为平均流量；QS为渗流量；A 为断面面积；KS为渗流系数；J 为坡降。

3.2.2 渗流场微分方程

针对不能压缩各向异性非均质稳定渗流微分方程：

针对能压缩各向异性非均质稳定渗流瞬态微分方程：

式中： 为测压水头；

sx、sy、sz分别表示 、、 方向的渗流系数；SS为储存量。

3.2.3 初始条件与边界条件

渗流场初始条件为：

第一类边界条件：

第二类边界条件：

式中：hsn为沿边界垂直方向的渗透系数；qs（x，y，z，t）表示边界已知流速；为渗流场为沿边界垂直方向的梯度值。

数值模拟的基础是理论分析,完善的渗流计算理论可以保证ANSYS 的渗流计算模拟结果的可靠性。

4 平海子水库工程大坝渗流的ANSYS 求解及数值模拟结果分析

浸润线没有抵达下游坝坡,坝内渗流从坝体下游渗入透水基层,沿大坝基层流走。

X/m 解析解/m ANSYS 解/m 47.5 19 19 57.5 17.01 16.98 67.5 14.73 14.65 77.5 12.34 12.31 87.5 8.54 8.46 97.5 0.99 0.93 107.5 0.11 0.07

通过表2 可以看出,ANSYS 计算所得浸润线位置极为接近解析解,得出数值模拟结果较为可靠,所以通过ANSYS 模拟平海子水库工程大坝渗流是有效的。

5 结论

本文以有限元分析软件ANSYS 为基础,对平海子水库工程大坝的渗流情况进行数值模拟计算,通过实例分析得出结论为：（1）基于ANSYS 的平海子水库工程大坝渗流数值模拟结果极为接近解析解,渗流分析结果较可靠。（2）计算了平海子水库工程大坝的渗流量并模拟了稳定运行期的大坝浸润线位置,通过比较分析结果与解析解验证ANSYS 的正确性。未来还可以在不断学习最新技术的基础上进一步展开研究。