基于Autobank的宁夏旗眼山水库大坝渗流模拟与防渗方案研究

云 涛

(宁夏水利水电勘测设计研究院有限公司，宁夏 银川 750000)

大坝渗流是影响大坝安全的主要因素之一[1]，研究大坝的渗流特性与防渗措施对于保障人民生命财产安全具有重要的现实意义[2]。渗流特性的研究主要包括确定浸润线位置、渗流流速与坡降、渗流量等内容[3- 4]，一般可采用水力学法和流网法，随着计算机技术与数值模型的发展，水力学法[5]正逐渐成为渗流分析的主要方式。大坝防渗可采取不同的措施，而不同措施会产生不同的效果[6]，因此需对其进行比较选择；在传统的防渗方案比选中，大多采用经验判断法或物理实验法，前者的精确度相对较低，后者的造价成本较高；采用水力模拟法则既可保持低廉的成本，又可满足工程的精度要求。在大坝渗流的水力模拟工具中，Autobank软件具有专业性强、一体化程度高、操作简便等优势[7]，但目前较少应用于实际大坝工程案例的防渗方案优选中。本文以宁夏旗眼山水库主坝为例，基于Autobank对不同防渗方案下的渗流过程进行模拟，得到坝体浸润线、位势分布、坝基日单宽流量、下游出逸渗透比降等参数，从而定量地评价各工程方案的效能，为大坝防渗加固措施的合理选择提供参考。

1 工程概况

旗眼山水库位于宁夏回族自治区灵武市，是灵武城市防洪体系的核心，担负着灵武市区、城北工业区、灵武电厂及东塔镇、灵武农场、临河镇、梧桐树乡等地的农田和人民群众生命财产安全的保护任务。根据GB50201- 2014《防洪标准》及SL252- 2017《水利水电工程等级划分及洪水标准》，旗眼山水库为III等中型工程。大坝设计洪水标准50年一遇，校核洪水标准1000年一遇。对于现状旗眼山水库，考虑未来30年的水库淤积情况时，坝顶高程仍能满足防洪库容的设计要求，故不需要加高，只对其进行整修加固。防渗加固可采取不同的工程方案，因此需对不同方案进行比选。

2 模拟原理与方法

2.1 基本模型

大坝的渗流模拟采用Autobank软件，该软件主要应用于土石坝、堤防等水工建筑物的防渗稳定分析中，可实现渗流、变形、应力、稳定计算的一体化，具有专业性强、整合程度高、操作简便等优势。Autobank软件主要基于水力学方法进行渗流模拟，其控制方程为[7]：

(1)

式中，x，y—平面坐标；Kx，Ky—x，y轴方向的渗透系数；φ=φ(x，y)—待求水头势函数。

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

[H]{φ}={F}

(2)

式中，[H]—渗透矩阵；{φ}—渗流场水头；

图1 坝体典型断面概化图

{F}—节点渗流量。

对以上方程组进行求解，可得到节点水头，据此可求得各计算单元的水力坡降和渗透水流流速等物理量;详细的模型介绍与操作方法可参考文献[7]。

2.2 模拟工况

为防止岩土产生变形，最为常见的措施是设置防渗墙，以之截断渗透水流，降低渗透坡降，增加渗径长度，同时改善部分土体抵抗渗透变形的能力；防渗墙又可分为水平与垂直等不同的布置类型。本文主要考虑5项不同的常见防渗工况，分别为现状(不改变当前的防渗措施)、方案I(坝坡铺膜)、方案II(坝坡铺膜+水平铺盖)、方案III(坝坡防渗砌护+坝脚塑性混凝土防渗墙)和方案IV(坝坡砌护+坝中塑性混凝土防渗墙)，各方案的坝体典型断面概化图暨方案布置型式如图1所示。

图2 坝体典型断面有限元计算网格

2.3 模拟条件

旗眼山水库大坝渗流断面的有限元计算网格如图2所示。四边形剖分单元一般具有数值收敛性好、迭代次数少、计算快等优点，因此计算网格主要选择此类单元型式；但此类网格在复杂边界部位具有相对较差的边界适应性，因此在部分边界部位采用三角网格的单元型式。采用现状工况进行网格敏感性分析，结果表明，更细的网格基本不改变计算结果，因此网格的分辨率满足工程要求。

表1 工程材料渗透特征参数

旗眼山水库大坝的工程材料渗透特征参数主要依据《灵武市旗眼山水库除险工程岩土工程勘察报告》等确定，整理结果见表1；其中渗透系数主要受土的颗粒形状、大小、不均匀系数及水温等特征的影响，是反映土体渗流特性的一个综合指标；细颗粒含量主要指土体中粒径小于2mm的颗粒的含量，是判断土体是否易发生流土现象的重要指标；临界渗透比降指渗透力等于土的浮容重时的水力坡降，是预测土粒是否会被渗透水流挟带走的主要参数；允许渗透比降是衡量土体是否会产生渗透变形或破坏的重要标准。

根据SL274- 2001《碾压式土石坝设计规范》，土坝计算应考虑水库运行中出现的不利条件，一般考虑计算设计洪水与校核洪水两种情况，其中旗眼山水库大坝的上游设计水位为1189.68m、校核水位为1191.80m。

3 模拟结果与讨论

3.1 浸润线与位势分布

以图1所示的5项工况为研究对象，采用图2所示的有限元网格型式，选取表1所列的工程材料渗透特征参数，运行Autobank软件进行渗流有限元计算分析，得到不同防渗方案下的坝体浸润线及位势分布；其中设计洪水条件下的模拟结果如图3所示。在图3(a)中，坝体内自上游坝坡设计水位处至下游排水棱体处的下降曲线表示现状方案下的浸润线，代表坝体内渗流的流动范围；自上游至下游的各条分布曲线依次表示90%～10%的位势线，代表坝体内渗流的水头差。

由图3可知，在现状条件下，洪水从水位的坝坡位置侵入坝体，浸润线顺延坝体内部下降，接近排水棱体基面时急转，并从棱体溢出；所得结果与实际情况基本一致，验证了本文方法的精确性；同时，坝体内浸润线较高且水头差较大，证明了防渗加固工作的必要性。在方案I条件下，浸润线位置有所降低，在高于淤积面2～3m处侵入，并渗入坝体，从排水棱体溢出；坝体内的水头差也有所下降。在方案II条件下，由于大坝上游护坡和水平铺盖下设置了复合土工膜，洪水不再从坝坡渗入坝体，使得渗流的渗径明显增加，坝体浸润线明显降低，从而有效地控制了坝体内的渗流范围；同时，坝基内的最大位势降低至30%以下，体现了该方案在消减渗透压力方面的功效。在方案III和方案IV条件下，坝体浸润线相对于其它方案均处于最低位，基本防止了坝体内渗流的出现；位势线在防渗墙下部较小的方位内迅速自90%降低至10%，说明防渗墙消杀水头作用明显；通常情况下，水头差较大处易出现渗透变形，但由于方案III和方案IV条件下的最大水头差主要出现在较为稳固的砾岩层，因此可基本上避免此类破坏。校核洪水条件下的模拟结果与以上结论基本保持一致。综上，各防渗方案均可减小坝体内的渗流流动范围并消杀水头，其中方案III和方案IV的效果最为显著。

图3 坝体浸润线与位势分布

3.2 坝体渗透量与渗透比降

运行Autobank软件得到不同防渗方案下的坝体渗透量与渗透比降，结果见表2；其中“渗透量”和“渗透比降”分别表示坝基单宽流量和下游出逸渗透比降，“设计”和“校核”分别表示“设计水位”和“校核水位”。

由表2可知，在现状条件下，坝体的渗透量超过15m3/(s·cm)，该值较大，且下游出逸渗透比降大于出逸处最大允许渗透比降(0.15)，不满足工程要求，需要进行防渗处理。在方案I条件下，坝体的渗透量有所下降，但依旧高于10m3/(s·cm)，且下游出逸渗透比降大于允许渗透比降，不满足要求。在方案II条件下，坝体的渗透量降低至10m3/(s·cm)以下，下游出逸渗透比降小于允许渗透比降，因此满足防渗要求。在方案III和方案IV条件下，坝体的渗透量均大幅降低，保持在0.05m3/(s·cm)以下，下游出逸渗透比降均下降至0.002，远小于允许渗透比降，满足要求；方案III的渗透量小于方案IV，因此方案III在防渗方面的效果最佳。综上，方案I不满足防渗要求，其它方案中，方案III效果最佳、方案IV次之、方案II最差。

表2 坝体渗透量与渗透比降

4 结论

以宁夏旗眼山水库大坝为例，采用Autobank软件对5种不同的防渗工况下的大坝渗流进行了模拟，综合模拟所得的坝体渗流浸润线、位势分布、渗透量、渗透比降等结果，可得到以下结论：

(1)坝体当前状况不满足防渗性要求，因此有必要采取合理的防渗措施；

(2)坝坡铺膜方案不满足防渗要求，因此不可采用；

(3)坝坡铺膜+水平铺盖、坝坡防渗砌护+坝脚塑性混凝土防渗墙和坝坡砌护+坝中塑性混凝土防渗墙3种方案均可满足防渗要求；

(4)在各方案中，坝坡防渗砌护+坝脚塑性混凝土防渗墙方案的防渗效果最佳，但坝坡铺膜+水平铺盖则相对较差。

本文研究可为大坝的防渗加固提供科学依据，但最终方案的选择除了考虑工程措施的防渗效果以外，还需考虑方案在社会、经济与环境等方面的效益，因此在以后的研究中，可以综合不同的角度来评价各工程方案的优越性，并与本文研究成果相结合，做出更为全面的方案优选决策。