佟曉娜

(遼寧省大伙房水庫(kù)管理局，遼寧撫順 113007)

1 概述

由于大壩邊界條件的復(fù)雜性和壩體、壩基滲流的非均勻性，用滲流基本方程計(jì)算成果難以與大壩實(shí)際運(yùn)行情況相一致，因此有必要通過(guò)滲流監(jiān)測(cè)資料反演其滲透系數(shù)。即在滲流資料分析基礎(chǔ)上，選取一段庫(kù)水位相對(duì)穩(wěn)定時(shí)間的大壩滲流監(jiān)測(cè)資料，開(kāi)展大壩穩(wěn)定滲流反演分析。本文根據(jù)溫度場(chǎng)和滲流場(chǎng)的相似性，利用有限元分析軟件ANSYS的熱分析功能計(jì)算土石壩滲流問(wèn)題，通過(guò)ANSYS的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，建立了基于ANSYS的滲透系數(shù)反演模型，反演得到大壩穩(wěn)定滲流后的心墻料的滲透系數(shù)。

2 工程概況

大伙房水庫(kù)是我國(guó)“一五”期間修建的重點(diǎn)水利工程，具有防洪、供水、灌溉、養(yǎng)魚(yú)、發(fā)電等多種功能，是新中國(guó)成立后我國(guó)第一座自行設(shè)計(jì)、自行施工的大型水利樞紐工程。

水庫(kù)主壩為碾壓式黏土心墻壩，心墻頂部寬度為2.25 m，心墻底部寬度為15.0 m，心墻頂部高程為136.8 m。黏土心墻底部為混凝土截水墻，底座寬1.0 m，墻底寬0.7 m，頂寬0.5 m，墻身高2.0 m。壩頂寬8 m;壩頂高程139.8 m，防浪墻頂部高程141.0 m。

3 穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)與穩(wěn)定滲流場(chǎng)的相似性

土石壩滲流基本微分控制方程如下:

式中:H為總滲透水頭;kx，ky，kz為以 x，y，z軸為主方向的滲透系數(shù);μs=ρg(α+nβ)為單位貯水量或貯存率。

穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)基本微分控制方程如下:

式中:T 為溫度;kx，ky，kz為以 x，y，z軸為主方向的介質(zhì)熱傳導(dǎo)率;ρQ是熱容量。

通過(guò)式(1)與式(2)比較可以看出，土體滲流問(wèn)題與溫度場(chǎng)問(wèn)題的控制方程非常相似，只需要將溫度場(chǎng)介質(zhì)換成土體介質(zhì)，相應(yīng)的參數(shù)換為求解滲流場(chǎng)的參數(shù)，因此溫度場(chǎng)和滲流場(chǎng)是相似的。值得注意的是，當(dāng)滲流變?yōu)榉€(wěn)定滲流時(shí)，則單位貯水量μs=0，而令穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)時(shí)的Q=0時(shí)，則土石壩穩(wěn)定滲流基本微分方程與穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程完全一致，參數(shù)及邊界條件相互對(duì)應(yīng)，為應(yīng)用ANSYS熱分析模塊進(jìn)行滲流場(chǎng)分析奠定了基礎(chǔ)。

4 原始資料選取

選取水庫(kù)主壩設(shè)有心墻測(cè)壓管的0+500斷面對(duì)大伙房水庫(kù)大壩心墻滲透系數(shù)進(jìn)行反演，該斷面測(cè)壓管經(jīng)工程多年運(yùn)行實(shí)踐表明，滲流狀態(tài)比較穩(wěn)定，沒(méi)有堵塞與不靈敏等現(xiàn)象，個(gè)別異常數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除或調(diào)整后，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以用于分析使用。為了正確反映大壩滲流的實(shí)際情況，選取2006年至2009年所觀測(cè)的平均上游水位(125.09 m)進(jìn)行正分析計(jì)算，監(jiān)測(cè)資料選取其所對(duì)應(yīng)的測(cè)壓管水位值。

所選0+500斷面測(cè)壓管布置圖見(jiàn)圖1所示，測(cè)壓管水頭數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖1 滲流監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

表1 斷面的測(cè)壓管實(shí)測(cè)水位值

采用間接法計(jì)算，預(yù)先假定滲流場(chǎng)各個(gè)分區(qū)材料的滲透系數(shù)。土壩中部分分區(qū)材料的滲透系數(shù)比較穩(wěn)定，與設(shè)計(jì)時(shí)出入不大，對(duì)這些區(qū)域無(wú)需進(jìn)行反演，計(jì)算時(shí)直接采用設(shè)計(jì)值。正分析計(jì)算中其它分區(qū)滲透系數(shù)取設(shè)計(jì)值，見(jiàn)表2所示，而僅對(duì)黏土心墻的滲透系數(shù)進(jìn)行反演。

表2 滲透系數(shù)分區(qū)表

根據(jù)流量守恒原理可知，各材料分區(qū)滿(mǎn)足一定比例的任意滲透系數(shù)都能適應(yīng)給定的水頭函數(shù)，故反求得出的滲透系數(shù)的絕對(duì)值是任意的，但本次計(jì)算中假定某些滲透系數(shù)為已知值，所以反演結(jié)果是唯一的。

5 反演斷面有限元模型

取壩段上游水位以下的壩體表面、壩基側(cè)面、壩段下游水位以下壩體表面、壩基側(cè)面為第一類(lèi)邊界(定水頭邊界)，大壩壩基的上下游側(cè)面、底邊界為第二類(lèi)邊界(無(wú)流量交換)，壩段上游水位以下的壩體表面及壩基下游表面為第一類(lèi)邊界(定水頭邊界)。整個(gè)模型共劃分3 652個(gè)節(jié)點(diǎn)，3 471個(gè)單元，見(jiàn)圖2。

圖2 0+500斷面分區(qū)圖

圖3 0+500斷面單元?jiǎng)澐謭D

6 反演結(jié)果及分析

設(shè)定黏土心墻滲透系數(shù)初始值為1.7×10－8cm/s，利用ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)方法得到的反演結(jié)果見(jiàn)表3。取黏土心墻滲透系數(shù)目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)反演值k=1.36×10－8cm/s對(duì)壩體0+500斷面進(jìn)行二維穩(wěn)定滲流有限元計(jì)算，提取該斷面測(cè)壓管所在位置的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比見(jiàn)表4。

表3 黏土心墻滲透系數(shù)優(yōu)化反演結(jié)果

表4 測(cè)壓管水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比(上游水位125.09m)

計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比表明，有限元計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差較小，擬合結(jié)果能夠滿(mǎn)足精度要求。同時(shí)，也表明所求得的滲透系數(shù)比較合理，可以用于滲流數(shù)值計(jì)算。

綜上可見(jiàn)，使用ANSYS優(yōu)化模塊進(jìn)行滲透系數(shù)反演分析，計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)潔，計(jì)算速度較快。但是，當(dāng)初始值作較大變動(dòng)時(shí)，得到的優(yōu)化值亦會(huì)有較大的變動(dòng)，這與反演時(shí)所參照的監(jiān)測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)有關(guān)，增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)可將反演參數(shù)約束在一個(gè)較穩(wěn)定的范圍。

7 基于ANSYS方法的模型可靠性論證

為了驗(yàn)證反演的力學(xué)參數(shù)是否正確，再次采用正分析方法把反分析出的參數(shù)值代入到ANSYS所建立的模型中進(jìn)行計(jì)算，在上游水位為正常蓄水位、防洪限制水位2種不同工況下，對(duì)有限元模型進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算成果見(jiàn)表5。

計(jì)算工況 正常蓄水位 防洪限制水位心墻逸出點(diǎn)高程/m 92.51 91.98心墻出逸滲透坡降 4.024 3.268心墻平均滲透坡降 4.031 3.275下游壩坡逸出點(diǎn)高程/m 90.01 90.45下游壩坡出逸坡降 0.0036 0.010壩體滲流量L/s 2.1*10－8 1.5*10－8

提取測(cè)壓管所在結(jié)點(diǎn)滲壓值與實(shí)測(cè)管水位進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可見(jiàn)，滲壓計(jì)算值比實(shí)測(cè)值稍小，這可能是因?yàn)樵谟?jì)算時(shí)未考慮地下水位對(duì)滲流的影響，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差較小。

表6 0+500斷面滲壓計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

8 結(jié)語(yǔ)

綜上可見(jiàn)，使用ANSYS優(yōu)化模塊進(jìn)行滲透系數(shù)反演分析，計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)潔，計(jì)算速度較快。但是，當(dāng)初始值作較大變動(dòng)時(shí)，得到的優(yōu)化值亦會(huì)有較大的變動(dòng)，這與反演時(shí)所參照的監(jiān)測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)有關(guān)，增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)可將反演參數(shù)約束在一個(gè)較穩(wěn)定的范圍。利用ANSYS的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，反演得到更符合大伙房水庫(kù)大壩實(shí)際工況的滲透系數(shù)，利用這個(gè)滲透系數(shù)進(jìn)行滲流數(shù)值計(jì)算，通過(guò)對(duì)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比表明，有限元計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差較小，擬合結(jié)果能夠滿(mǎn)足精度要求。說(shuō)明所求得的滲透系數(shù)比較合理，可以用于滲流數(shù)值計(jì)算。

［1］王俊，劉進(jìn)寶，韓劍，等.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的混凝土大壩滲透系數(shù)反演［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，24(3):9－12.

［2］劉先珊，費(fèi)文平，張林.一種大壩滲透系數(shù)分區(qū)反演新方法研究［J］.巖土力學(xué)，2004(11):25.

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