基于Autobank水库大坝的一些稳定渗流分析

袁凤娟

(安徽省阜阳市水利规划设计院有限公司,安徽 阜阳 236000)

0 引 言

作为挡水建筑物,水库大坝在水资源调度、农业灌溉、生活供水中发挥着重要作用。在实际运行过程中,长期的水流作用会使水库大坝的耐久力不断下降,甚至出现渗流现象[1-2]。水库大坝渗流的产生会严重降低大坝的安全性,因此如何准确分析水库大坝渗流,并提出相应的加固措施,是当前水利工作中必须关注的问题。已有研究提出,可以采用有限元分析软件来构建水库大坝的渗流计算模型,并利用有限元软件根据区域水文、气象、地质等相关资料,获取水库大坝渗流发生的基础数据[3-4]。

目前,针对水工结构常用的有限元软件为Autobank,该软件能够一次性求解多种安全系数,进而实现更为完善的渗流分析[5-6]。安徽省明光市境内分水岭水库于1980年建成,因长期受到水流作用,已经存在着较大的安全隐患。因此,本文基于Autobank软件,提出分水岭水库大坝的渗流分析策略,为该水库的防渗加固提供理论参考,从而提升水库安全性。

1 Autobank软件中的大坝渗流分析模型构建

1.1 工程概况

研究以安徽省明光市境内分水岭水库为研究对象,总库容7 448×104m3,是一座以农业灌溉为主、兼起滞洪作用的中型水库,属淮河流域七里湖水系。水库坝址建于白沙河上的3条支流汇合处,其控制来水面积113km2,坝址地形属低山区,距明光市35km,距104国道16km,距京沪铁路20km。分水岭水库防洪保护范围包括明光市涧溪、鲁山、白沙王等乡镇,以及江苏省盱眙县部分地区和S309公路,保护总人口5.0万人,耕地0.466 7×104hm2。见图1。

图1 分水岭水库工程位置

水库枢纽工程主要由主坝、副坝、溢洪道、东放水涵、西放水涵等建筑物组成,工程等别为Ⅲ等,主要建筑物级别为3级;防洪标准采用100年一遇洪水设计,2 000年一遇洪水校核;工程抗震设计烈度为Ⅶ度。

分水岭水库始建于1958年,施工时断时续,历时20余年,经过五期施工,到1980年基本建成。由于多种原因,大坝坝体填筑质量差,坝基、坝身防渗系统不完善,渗漏严重,影响大坝的正常运用;溢洪道消能设施不完善,沿程冲刷严重,淘刷坝脚,无法安全运行;放水涵洞洞身砌筑质量差,洞身断裂,存在严重接触渗漏;白蚁危害严重;该库坝址处于7度地震烈度区。水库不能在设计条件下安全运行,威胁下游涧溪镇、江苏省盱眙县部分地区和S309省级公路以及5万人口、0.4667×104hm2耕地安全,影响水库综合效益的发挥。

1.2 基于Autobank的水库大坝渗流分析模型

Autobank软件是行业性应用软件,以CAD界面为基础,通过定义大坝基础数据进行有限元分析,能够快速计算出大坝的不同渗流场,进而判断大坝的稳定性[7-8]。为了判断分水岭水库的稳定性,利用河海大学工程力学研究所的 Autobank7.08 程序进行有限元法渗流计算分析。在Autobank软件的渗流分析中,首先定义材料表,见表1。

表1 Autobank软件中大坝材料定义

表1中,kx表示X轴方向的渗透系数,ky表示Y方向的渗透系数。此外,经过材料定义绘制大坝的断面图,同时在断面划分中为每个土层区域选择合适的材料。然后,绘制出分水岭水库在Autobank软件中的断面网格图,利用网格图来判断大坝渗流情况。

在石窟大坝渗流分析中,对于稳定渗流,符合达西定律的非均各向异性二维渗流场,水头势函数满足微分方程,公式如下:

(1)

式中:φ为待求水头势函数;x、y为平面坐标;kx为X轴方向的渗透系数;ky为Y方向的渗透系数[9]。

将渗流场用有限元离散,假定单元渗流场的水头函数势φ为多项式,由微分方程及边界条件确定问题的变分形式,可导出线性方程组,公式如下:

[H]{φ}=[F]

(2)

式中:[H]为渗透矩阵;{φ}为渗流场水头;[F]为节点渗流量。

通过线性方程组的求解,可以得到水库大坝的节点水头,以此可计算出单元的水力坡降等物理量。对于非稳定渗流,需要根据设定的给水度值定义非稳定渗流边界,并求解得到不同水位下的水头、渗透比降等物理量[10-11]。至此,可以建立基于Autobank软件的水库大坝稳定渗流分析模型。

2 水库大坝稳定渗流分析

为了进一步加固分水岭水库大坝,研究选择Autobank软件进行稳定渗流分析,并构建水库大坝渗流分析模型。为了确定Autobank软件中水库大坝渗流分析模型的构建有效性,其有限元网格见图2。

图2 分水岭水库大坝的有限元网格

由图2可知,在渗流分析模型设计中,将正常蓄水位设置为48.50m,将施工期水位设置为38.50m,将死水位设置为41m,将设计洪水位设置为50.22m,将校核洪水位设置为51.04m。在有限元网格分析后,为了进一步了解水库大坝渗流分析模型的可行性,研究提出对比实验来进行验证,结果见图3。

图3 渗流分析模型与实际值的拟合程度分析

由图3(a)可以看出,计算值与实际值之间的曲线变化趋势呈现一致性。其中,分水岭水库的渗流量最大值为12.10m3/h,最小值为5.02m3/h;计算值与实际值的最大误差为0.12m3/h,最小误差为0.01m3/h,两者的拟合值R=0.872。

由图3(b)可以看出,在水库水位分析中,分水岭水库的最大水位为51.04m,最小水位为48.5m;模型计算值与实际值差异不明显,最大误差值为0.07m,实际值与计算值的拟合值为0.907。

以上结果表明,研究所构建的基于Autobank软件的水库大坝稳定渗流分析模型具有可行性,能够计算得到大坝的实际渗流结果。基于此,进一步分析不同工况下的分水岭水库大坝渗流,结果见表2。

表2 不同工况下的分水岭水库大坝渗流分析

由表2可知,在校核洪水位为51.04m时,大坝的渗流量最大,达到306.315m3/d;该工况下的出逸点高程也最大,达到31.06m。

利用Autobank软件的水库大坝稳定渗流分析模型进行水库大坝的稳定性分析,并将运用条件分为正常、非常Ⅰ、非常Ⅱ。其中,非常Ⅰ表示非正常情况;非常Ⅱ表示极端非正常情况,即遇地震。计算结果见表3。

表3 不同工况下的分水岭水库大坝安全系数

由表3可知,在上游坡正常和非常Ⅰ运用条件中,不同工况下安全系数计算值均处于规范允许的范围内,即不同工况下的大坝稳定性较好。在非常II运用条件中,在死水位为41.00m、下游无水时,坝体遭遇7级地震,导致其原断面和截渗后的安全系数低于规范允许值。表明在地震条件下,水库大坝坝体会出现不稳定现象。在下游坡中,在不同运用条件中的工况稳定性计算值均处于规范允许范围内,表明下游坡坝体能够始终保持稳定渗流。

通过渗流分析结果进行水库大坝加固模拟,进而确定分水岭水库大坝加固方向。研究认为,该大坝受地震影响严重,高级别地震会显著增加其渗透性,并降低安全系数。为此,在大坝的防渗加固处理模拟中,研究考虑不同级别的地震影响,并分析不同级别下的水库大坝渗流和永久位移变化,结果见图4。

图4 大坝加固效果模拟

由图4(a)可以看出,随着地震级别的增加,大坝的渗流量最大值也随着增大。但当地震为8级时,最大渗流量为3.17m3/d,仍然处于可允许范围内。由图4(b)可以看出,随着时间和地震级别的增加,水库大坝的永久位移呈现不断增长的趋势。当地震级别为8级时,最大永久位移量达到87.61mm。

以上结果表明,通过Autobank软件来模拟分水岭水库大坝加固后的稳定渗流变化具有可行性,能够得到大坝的渗流量和永久位移变化,可为大坝的后期加固和修复提供技术支持。

3 结 论

本文基于Autobank软件,建立了水库大坝稳定渗流分析模型,并以分水岭水库为研究对象进行了参数设置。结果显示,研究所构建的渗流分析模型的计算值与实际值之间的拟合值最大为0.907;渗流分析中,分水岭水库的最大渗流量为306.315m3/d;水库的上游坡在地震条件下的安全系数低于允许值;在模拟中显示,研究提出的加固方案能够降低大坝渗流量和永久位移量。结果表明,Autobank软件可对分水岭水库大坝进行稳定渗流分析。