李 培,陳瑞亮,唐岳灝

(長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430212)

基于飽和理論的滲流分析研究及應(yīng)用

李 培,陳瑞亮,唐岳灝

(長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430212)

介紹了基于飽和理論滲流分析的基本理論和基本方法，并將此理論應(yīng)用于工程實(shí)際，以楊莊水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程為例，對(duì)壩體現(xiàn)狀進(jìn)行不同工況下的滲流分析，以此為壩體防滲加固方案提供依據(jù)。并對(duì)防滲加固后的情況模擬進(jìn)行滲流分析，說(shuō)明加固后滲流控制情況較好。

滲流分析; 防滲加固; 有限元; 工況

水庫(kù)的除險(xiǎn)加固主要要解決的問(wèn)題之一是滲流。而滲流是由于水工建筑物的上游和下游水位不一致，形成水位差，上游的水在水位差的壓力下就會(huì)通過(guò)壩體或壩基滲到下游，而造成安全隱患。

1 基于飽和理論的幾個(gè)滲流分析方法

滲流分析的方法主要有理論分析法和試驗(yàn)分析法。理論分析法包含流體力學(xué)法和水力學(xué)法。流體力學(xué)法的計(jì)算方法復(fù)雜，計(jì)算結(jié)果比較精確，但是目前只能解決幾種比較簡(jiǎn)單的滲流邊界問(wèn)題。水力學(xué)法計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，但這種方法卻不能計(jì)算出滲流場(chǎng)中任一點(diǎn)處的滲流要素。而且計(jì)算結(jié)果還有一定誤差。為了盡量提高計(jì)算精確度，目前采取的方法是三種方法融合，用流體力學(xué)法和實(shí)驗(yàn)分析法的結(jié)果對(duì)水力學(xué)法進(jìn)行局部修正[1]。

1973年Neuman提出了用有限元法求解土壩飽和—非飽和滲流的數(shù)值方法。后來(lái)，這個(gè)理論被日本的赤井浩一進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算[2]。經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展，到1996年chen發(fā)展了用四邊行網(wǎng)格進(jìn)行自適應(yīng)滲流分析的方法，大大提高了滲流計(jì)算的工作效率[3]。

2 大壩現(xiàn)狀滲流計(jì)算方法與計(jì)算工況

楊莊水庫(kù)壩址位于襄陽(yáng)區(qū)古驛鎮(zhèn)張坡村，水庫(kù)樞紐工程于1958年6月動(dòng)工興建，1959年4月竣工，建成為一座小(2)型水庫(kù)；水庫(kù)于1975年9月擴(kuò)建，于1976年2月竣工，建成為一座小(1)型水庫(kù)。水庫(kù)原設(shè)計(jì)總庫(kù)容498萬(wàn)m3，其中興利庫(kù)容355萬(wàn)m3，死庫(kù)容5.5萬(wàn)m3。

大壩滲流計(jì)算采用有限元二維滲流計(jì)算方法。采用滲流分析軟件，此軟件適用于各類(lèi)大壩、不同壩基、各種水位下的大壩滲流穩(wěn)定分析。滲流計(jì)算選取位于大壩最大壩高0+450斷面作為計(jì)算斷面，土層滲透系數(shù)按各向同性考慮。

在滲流計(jì)算時(shí)，考慮大壩壩基為有限深透水地基。計(jì)算工況見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算工況表

2.1 參數(shù)選定

大壩壩體各土層的滲透系數(shù)取值根據(jù)地質(zhì)勘探資料確定，0+450斷面壩體與壩基的滲透系數(shù)分別為3.39×10-4cm/s，1.69×10-6cm/s。

2.2 計(jì)算結(jié)果

二維滲流計(jì)算正常蓄水位下穩(wěn)定滲流等勢(shì)線圖見(jiàn)圖1，滲流計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

圖1 楊莊水庫(kù)在正常蓄水位下穩(wěn)定滲流等勢(shì)線圖

表2 二維滲流計(jì)算結(jié)果

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

楊莊大壩壩體及壩基土層主要為粉質(zhì)黏土，根據(jù)地質(zhì)資料確定壩體滲流比降允許值J允=0.55。

根據(jù)滲流計(jì)算結(jié)果，大壩在校核洪水位穩(wěn)定滲流期滲流下游逸出點(diǎn)比降值大于允許滲流比降0.55，不滿(mǎn)足要求，并且在該工況下單寬滲流量較大，出逸點(diǎn)也較高。

大壩壩基和壩肩分布第四系上更新統(tǒng)沖洪積黏性土，強(qiáng)度和透水性滿(mǎn)足低土石壩壩基要求。但大壩填筑料為低液限粉質(zhì)黏土，壓實(shí)度偏低，滲透系數(shù)偏大。因此，壩肩不需要進(jìn)行防滲加固，壩體需要進(jìn)行防滲加固。

3 楊莊水庫(kù)大壩加固后滲流穩(wěn)定計(jì)算

3.1 計(jì)算參數(shù)及計(jì)算條件

3.1.1 筑壩材料

壩體填土以黃褐色黏土為主，下部夾部分灰色、灰黑色粉質(zhì)黏土，填土總體呈可塑狀、局部軟塑狀。填土粉、黏粒含量在97.0%左右，成份較單一，上部夾少量磚頭、碎石及植物根莖，中、下部土質(zhì)均勻。經(jīng)室內(nèi)土工試驗(yàn)：填土干容重在13.8～16.5 kN/m3之間，僅有5.5%的土樣達(dá)到填土控制干容重15.9kN/m3的最低要求，樣品合格率為5.5%，填土干容重平均值15.1kN/m3，實(shí)際壓實(shí)度僅為0.89，壩體填土碾壓欠密實(shí)。填土綜合性滲透系數(shù)在1.98×10-4～4.21×10-4cm/s，平均3.39×10-4cm/s，屬中等透水層。

3.1.2 滲透系數(shù)

根據(jù)前期試驗(yàn)成果和經(jīng)驗(yàn)，滲流計(jì)算中采用壩體壩基材料滲透系數(shù)如表3所示。

表3 壩體壩基材料滲透系數(shù)表

3.1.3 滲流計(jì)算水位選取和計(jì)算工況

根據(jù)前期基礎(chǔ)資料，水庫(kù)壩體的最大斷面是0+450，選此典型斷面進(jìn)行相關(guān)滲流計(jì)算。

根據(jù)本水庫(kù)的運(yùn)行情況，按最新設(shè)計(jì)導(dǎo)則《小型水利水電工程碾壓式土石壩設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(SL189-2013)規(guī)定，按穩(wěn)定滲流和非穩(wěn)定滲流兩種情況，對(duì)以下幾種水位組合的工況進(jìn)行計(jì)算。

穩(wěn)定滲流工況：

①上游校核洪水位107.38m時(shí)穩(wěn)定滲流，下游水位94.20m；

②上游設(shè)計(jì)洪水位107.13m時(shí)穩(wěn)定滲流，下游水位94.20m；

③上游正常蓄水位106.50m時(shí)穩(wěn)定滲流，下游水位94.20m。

非穩(wěn)定滲流工況：

④庫(kù)水位從校核洪水位107.38m驟降至正常蓄水位106.50m非穩(wěn)定滲流；

⑤庫(kù)水位從正常蓄水位106.50m驟降至死水位97.00m非穩(wěn)定滲流。

水位降落情況考慮兩種工況：庫(kù)水位在30h內(nèi)從校核洪水位107.38m降至正常蓄水位106.5m和庫(kù)水位在10天時(shí)間內(nèi)從正常蓄水位106.5m降至死水位97.0m。下游水位很淺，近似取地面高程。

3.1.4 計(jì)算理論及計(jì)算程序

壩體滲流計(jì)算采用滲流計(jì)算軟件進(jìn)行。該程序能夠較好地解決分區(qū)復(fù)雜的土石壩的飽和與非飽和滲流分析問(wèn)題[4]。

本模型采用平面有限元法進(jìn)行求解。計(jì)算斷面取大壩典型斷面，即樁號(hào)0+450m斷面。整治后典型斷面滲流計(jì)算網(wǎng)格見(jiàn)圖2。整治后校核洪水位壩體典型斷面時(shí)的滲流場(chǎng)分布見(jiàn)圖3。土層滲透系數(shù)按各向同性考慮。

計(jì)算成果如表4、圖2、圖3所示。

3.2 計(jì)算成果分析

由前面計(jì)算結(jié)果可知，在三種穩(wěn)定滲流工況下，壩體浸潤(rùn)線均從貼坡排水體外坡出逸，出逸點(diǎn)高程均為96.20m；下游坡面的最大滲流坡降整治后為0.237～0.176，小于壩體黏土的允許坡降；水庫(kù)在校核洪水位、設(shè)計(jì)洪水位和正常蓄水位時(shí)，大壩壩體的單寬滲流量為6.0989×10-6～5.0372×10-6m3/s·m，0.526～0.489m3/d·m，滲流量較小，在大壩設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。由此可見(jiàn)，壩體防滲和下游排水處理的效果比較顯著。

表4 50+450斷面整治后關(guān)鍵部位滲透坡降和單寬滲流量表

圖3 整治后校核洪水位壩體典型斷面時(shí)的滲流場(chǎng)分布圖

[1] 劉 杰.土的滲透穩(wěn)定與滲流控制[M].北京：水利電力出版社，1992:3-22.

[2] 赤井浩一.用有限單元法分析飽和非飽和滲流問(wèn)題[A〕.日本土木學(xué)會(huì)論文報(bào)告集[C].1977-1978.

[3] Chen S H.Adaptive FEM analysis for two-dimensional uneonfined seePageProblems[J].Joumal of Hydrodynamies，Ser.B，1996(1):60-66.

[4] 陳仁杰. 淺談水利水電工程設(shè)計(jì)[J]. 科技信息, 2010(17).

[5] 石炎河. 吳家莊水庫(kù)溢洪道水力計(jì)算[J]. 科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì), 2007(20).

Study and Application of Seepage Analysis Based on Saturation Theory

LI Pei, CHEN Rui-liang, TANG Yue-hao

(Changjiang Institute of Technology, Wuhan 430212, China)

The basic theories and methods of seepage analysis based on the Saturation theory are introduced and applied to engineering practice. Taking the reinforcement project of Yangzhuang reservoir as an example, the seepage analysis of dam body under different working conditions is made so as to provide references for dam reinforcement plan. The simulated seepage analysis of the reinforced dam body is carried out and the result indicates that the seepage control is better.

seepage analysis; reinforcement; finite element; working conditions

2017-01-20

李 培(1983-)，女，湖北黃陂人，講師，碩士，主要從事水利水電工程教學(xué)工作。

TV641/TV139.14

A

1673-0496(2017)02-0014-03

10.14079/j.cnki.cn42-1745/tv.2017.02.005