允楞水库大坝渗流异常特性有限元反演分析

杨 玲,龚爱民,周 斌,彭玉林

(云南农业大学水利水电与建筑学院,云南 昆明 650201)

0 引 言

土石坝渗流属于复杂空间问题,而在中小型水库安全评价中,通常取坝体最大横断面,将其简化为平面问题,但受到渗流场各区域的土料物理力学参数、各向渗透系数以及边界条件等因素影响,使得对渗流场的模拟较为粗略[1];解的唯一性不是总能得到满足,且计算结果可能不是整个可行域中的最优解[2].把这些参数反馈到坝体稳定分析中,并不能准确反映坝体实际情况.本文以允楞水库大坝渗流特性分析为例,通过在实测资料下建立三维有限元模型,对大坝渗流场不同介质的渗透系数进行了优化搜索反演估计,然后对渗流场中各问题进行详细的反演计算分析和评价,以期为安全评价提供理论依据.

1 工程概况

允楞水库是临沧市一座提供工农业用水、兼顾防洪的中型水库.主坝为均质土坝,最大坝高30m,坝轴线长444 m,坝顶宽6 m,下游设有组合式堆石排水体,设计正常工作状态为褥垫式排水,褥垫深入坝体21.5 m.水库于1985年底兴建,于1999年在主坝设置3排共11个渗流观测点,具体布置见图1.

根据主坝测压管水位观测资料 (表1)及现场勘查,渗流异常集中表现为:测压管水位不能及时反应库水位变化、测压管水位不遵循稳定渗流规律且差异较大、下游坝坡水流出逸点位置偏高等.

图1 允楞水库观测设施布置 (单位:m)

表1 测压管水位实测值m

2 渗透系数的反演

渗流分析的主要任务是确定渗流场的水头、流速分布和渗流量等基本物理量,并据此进行相关稳定分析[1].其中渗透系数是一个至关重要的参数,其取值合理与否直接影响计算结果的合理性和可靠性[3].因此,安全评价中渗流分析的关键在于渗透系数的反演.

渗透系数反演属于未知参数反问题,它是由控制方程给出结构和因变量在区域或边界上的部分信息或完整信息,来确定方程的一个或多个参数[4].本文结合钻孔资料对坝体和坝基进行物理分区,建立有限元模型,先给定一组渗透系数作为初值,然后以多孔介质渗流中的达西定律为基础,进行有限元计算,反演土石坝体及坝基的渗透系数.

2.1 稳定渗流场问题有限元解法的基本原理及方程[5]

设在渗流场Ω域内满足不可压缩流体的达西渗流的控制方程及定解条件:div(k▽h)=0.假定Ω⊂R3,Ω是其边界,则∂Ω包括3个部分:不透水边界S1,同大气接触的边界S2,已知水头值的边界S3.如果用P表示Ω中的饱和部分,则P的边界∂P包括4个部分Ti(i=1~4):不透水边界T1,自由面边界T2,已知水头边界T3,以及溢出面边界T4.将上式用直角坐标系表示为

其边界条件可归纳为

式中,h为总水头函数;kx,ky,kz分别为与坐标轴x,y,z同向的主渗透系数;ht0,ht和qn分别为边界上的已知水头和流量条件;L1、L2为P域上已知水头及流量条件的面域;t为时间;nx,ny,nz分别为L2的外法线方向余弦.

,1j))与实测值(ht(

,0j))进行最优拟合,即式中,ai和bi为t时刻第i个参数变量及其可能的上下限值;分别为第j个测点的测压管水位hi在t时刻的计算值及实测值;m为测次数;n为测点数;M为反演参数的个数 (分区数).

2.2 渗透系数初始值选取

渗透系数通常通过室内试验或现场钻孔原位测试得到.室内试验由于试样的扰动及 "尺寸效应"的影响,测出的系数并不能代表真实情况;而现场测试数据离散性大、缺乏代表性.两种方法都只能反应取样点 (或原位测试点)附近的岩土体特性[6].钻孔原位压 (注)水试验成果更能反映坝体现状的渗透特性,故确定选取作为渗透系数的初始值,通过测压管水位反演得到岩土体渗透系数.各区域渗透系数计算初始值见表2.

表2 各计算区域渗透系数计算初值及三维反演结果

2.3 反演结果及检验

取上下游向布置的浸润线测压管为优化反演计算的实测水位测压管,本次地勘钻孔为优化估计值的后验水位测压管.建立三维有限元计算网格时,网格采用混合空间四面体和六面体,模拟x,y,z3个方向的渗流特性,每个节点上有一个水头自由度,上下游水头、测管水位作为边界条件.

由于水库水量平衡中的各分项随时间发生变化,导致水库中水位的不断变化,形成坝体的非稳定渗流.但在实际工程中,库水位与时间的关系难以准确掌握,在一个库水位变化较小的较长时段内,可简化计算,将渗流场近似为稳定渗流场.

2006年底至2007年初的枯水期间水位变化小,库水位约1 096.65 m,下游无水,此时期大坝渗流性态接近稳定渗流流态,且水库已蓄水16年,其输入输出信息较适用于稳定渗流有限元计算模型.三维计算模型的渗流逆问题最优解见表2,二维计算有若干组结果,部分见表3.

表3 各计算区域渗透系数二维反演结果(部分)

根据最优解,计算得到本次地勘钻孔期间库水位达1 095.60 m时渗流场中各钻孔水位,钻孔内水位的反演值与实测值的基本吻合.可见渗透系数反演结果为反演最优估计值,可用来进一步反演计算分析大坝渗流场的真实性态.

3 渗流状态分析

3.1 库水位对测压管水位的滞后作用

由观测资料可知,测压管水位不能及时反映库水位的变化.具体原因为:①反演得出的坝土渗透系数为1.16X10-5cm/s,属弱透水性,渗透阻力较大,严重影响了水压力的传递;②库水位的变化引起渗流场内水压力变化,水压力并不按照巴斯卡原理瞬时传递,而是有一定的滞后现象;③坝身填筑质量不均匀、密实度低、细粒含量较高、成层现象明显,直接影响到水压力的传递时间;④当自由面随时间变化时处于自由面变动范围内的土体孔隙的充 (放)水需要相应的时间;⑤库水位不断变化,在某一水位条件下形成稳定渗流需要一定时间[7-8].

3.2 出逸点位置偏高

根据观测资料可知,靠近棱体的测压管 (观7、观11)水位远高于设计值.敏感性分析可知,浸润线及出逸点位置对组合式堆石排水体的透水能力较为敏感,其中对褥垫尤为敏感,由测管水位可推测排水褥垫已堵塞失效,根据反演分析结果 (褥垫渗透系数4.1X10-4cm/s、棱体渗透系数3.4X10-3cm/s),证实排水褥垫堵塞失效、棱体式排水也出现堵塞但未完全失效,导致测管水位高于设计值及出逸点位置偏高;加之水库已蓄水多年,坝土经多年浸水饱和,当上游水位发生变化时,由于测压管水位的严重滞后,导致浸润线居高不下.

3.3 测压管水位异常

分析观测资料,测压管水位不遵循稳定渗流规律且差异较大:①位于同一纵断面上的观2、观5、观9测管水位呈现中间高两侧低的现象,且位于右坝肩的观2异常低于观5和观9,最大水位差为5.343 m;②观6测管水位明显高于观10,最大水位差为3.311 m;③观7与观11测管水位关系从2004年开始出现本质变化,从原来的观7高于观11转变为观11高于观7,且差值较大,最大水位差为4.966 m;④ZK5孔内水位明显高于ZK7,最大水位差为5.74 m;⑤ZK3钻孔水位明显低于位于坝顶的其他钻孔水位,最大水位差高达11.10 m.

分析表明:①各管受上游水位影响密切,未发生堵塞;②封堵的原输水涵管附近的测压管 (或钻孔)水位对涵管的渗漏较为敏感,表明涵管发生渗漏,出口渗漏尤为严重.

4 结 论

通过对允楞水库大坝渗流特性进行反演计算分析,可以得到:

(1)基于实测资料,三维有限元反演分析渗透系数准确、唯一,反映工程实际状况,可以用来对大坝作出较为正确的评价.

(2)在实测资料的基础上,要合理分析资料的准确性,去伪存真,以正确评价坝体的安全状态.

(3)基于实测资料的三维有限元反演分析,可开发成相对固定成熟的模式,逐步应用于中小型工程的分析计算,对水库的安全评价有着重要意义.

[1] 秦前波.土石坝随机渗流场有限元分析[D].武汉:武汉理工大学,2005.

[2] 朱岳明,戴妙林.大坝观测资料的优化反分析及其应用[J].大坝观测与土工测试,1991,15(1):17-23.

[3] 魏海,沈振中,江沆,等.基于随机理论的渗透参数反演分析方法及应用[C]//第五届全国水利工程渗流学术研讨会论文集.河南:黄河水利出版社,2006:162-167.

[4] 郭海庆,吴中如,张乾飞.渗透系数反演的CHNN模型方法[J].长江科学院院报,2001,18(3):25-28.

[5] 顾冲时,吴中如.大坝与坝基安全监控理论和方法及其应用[M].南京:河海大学出版社,2006.

[6] 周萍.基于神经网络和遗传算法的岩体参数反分析研究[D].南京:河海大学,2004.

[7] 刘洵,方朝阳.土石坝测压管水位观测资料分析[J].中国农村水利水电,2001(7):53-54,56.

[8] 梁波.土石坝测压管水位观测资料分析方法[J].大坝与安全,2005(4):41-43.