王海凌，達 娃,王海霞

(西藏大學農牧學院，西藏自治區(qū)林芝縣 857000)

文章編號：1006—2610(2015)01—0077—04

基于Ansys熱分析模塊的大壩滲流分析
——以西藏滿拉水利樞紐為例

王海凌，達 娃,王海霞

(西藏大學農牧學院，西藏自治區(qū)林芝縣 857000)

以西藏滿拉水利樞紐為案例，從滲流分析的基本理論和計算方法著手，對西藏地區(qū)覆蓋層較厚的土石壩進行滲流分析。通過滲流方程和熱傳遞能量方程的相似性，利用Ansys的熱處理模塊對大壩的滲流進行數值模擬和計算，通過計算的結果和現(xiàn)場測壓管的水頭觀測值進行對比和分析，結果表明，Ansys可應用于工程設計中的滲流計算，從而對土石壩后期加固處理具有指導性。

滲流;土石壩;達西定律;Ansys

0 前 言

中國土石壩的數量為占有大壩數量的93%[1]，據20世紀80年代的統(tǒng)計，當時全國241座大型水庫先后出現(xiàn)過1 000余宗工程事故，其中以滲透變形事故最多，占31.7%[2]。產生滲流的原因有設計方面、施工方面及其他方面。水庫蓄水后，在高水頭的作用下壩體和壩基出現(xiàn)不同程度的滲流，尤其是在西藏這種覆蓋層很厚的情況下，對于壩體的滲流計算尤為重要。

在土石壩的滲流計算中，主要的計算任務是：計算滲流量、計算浸潤線、揚壓力、滲透流速、水力比降[3]。為土石壩設計提供依據，并且在后期的管理和運行中對土石壩滲透穩(wěn)定進行分析，可以通過這些數據來合理地選擇防滲、排滲設計方案，從而能夠有效地控制滲流。土石壩的滲流計算對保證土石壩安全、更好地發(fā)揮工程效益以及節(jié)省投資都有顯著的實際意義[4]。

1 土石壩滲流計算方法

現(xiàn)有滲流計算的方法分為理論分析法和試驗分析法，其中理論分析的方法又分為解析法、數值法和圖解法；數值方法主要有有限元法、差分法和邊界元法[5]。由于土石壩的滲流計算影響因素很多，而且復雜，有限元分析計算困難，計算時間步數過多，從而導致計算量的加大，給土石壩的滲流計算帶來了很大的難度，計算結果與工程實際情況差別較大。現(xiàn)有的計算方法已經對已有的條件進行了一定的簡化，或是采用軟件計算時參數設置有誤，很難做到計算結果符合實際情況。因此，需要探索一種簡單實用的方法來計算和模擬滲流，為工程設計提供必要的依據。

利用Ansys熱處理模塊分析滲流，土石壩滲流有自由面的存在，在滲流浸潤線的自由面上法向的流速為零，浸潤線以上部分不參與計算。浸潤線的計算采用迭代法，先假設浸潤線的位置和滲流出逸點，然后按第一類和第二類邊界條件進行滲流計算，根據計算的結果不斷地調整浸潤線的位置，直到前后計算的結果浸潤線差值在允許誤差的范圍內。計算中，Ansys利用生死單元技術，將位于浸潤線以上的單元殺死，位于以下的單元激活并參與計算。由于需要反復地計算，產生人與計算機的交換數據，計算過程相對復雜，本次采用Ansys的ADPL參數化語言來解決這一問題，從而大大簡化了計算過程和減少了計算的誤差。

2 滲流基本方程

Ansys軟件中沒有直接計算滲流場的模塊，但可以在其它相似的模塊中分析滲流場，Ansys中溫度場的模塊與滲流場的模塊非常相似，筆者從幾個方面進行說明。

2.1 基礎理論的相似

(1) 達西定律：

(1)

式中：A為斷面面積；(h1-h2)為測壓管水頭差；k為滲透系數；L為滲徑長度。

(2) 熱傳導定律(傅里葉假設)：

(2)

式中：Qr為熱(流)量；A為斷面面積；Kr為熱傳導系數；(dT/dn)為溫度場梯度。

2.2 微分方程的相似

(1) 滲流場的微分方程

1) 對于不可壓縮各向異性非均質無源穩(wěn)定滲流的微分方程式：

(3)

2) 對于可壓縮各向異性非均質非穩(wěn)定瞬態(tài)滲流的微分方程式：

(4)

其中：Kx、Ky、Kz為沿x、y、z方向的滲透系數；Ss為單位儲存量。

(2) 溫度場的微分方程

1) 對于無熱源的各向異性非均質穩(wěn)定熱傳導的微分方程式：

(5)

2) 對于無熱源的各向異性非均質瞬態(tài)熱傳導的微分方程式：

(6)

其中：Krx、Kry、Krz為沿x、y、z方向的熱傳導系數；C為比熱。

2.3 初始條件和邊界條件的相似

滲流場的初始條件：

h|t=0=h(x,y,z,0)

溫度場的初始條件：

T|t=0=T(x,y,z,0)

第一類邊界條件：

滲流場h|Γ1=h(x,y,z,t)

溫度場T|Γ1=T(x,y,z,t)

式中：h|Γ1、T|Γ1分別為時刻t點的測壓管水頭值和溫度值；h(x,y,z,t)、T(x,y,z,t)分別為邊界Γ1上給定的已知測壓管水頭函數和溫度函數。

第二類邊界條件：

在不透水邊界和絕熱邊界上，qs(x,y,z,t)=0和qr(x,y,z,t)=0

Ansys程序中溫度場分析的控制方程可以寫成：

(7)

式(7)為有熱源各向異性非均質瞬態(tài)熱傳導微分方程。

表1 滲流場與溫度場各種相應量的比較表

從表1和式(7)有熱源各向異性非均質瞬態(tài)熱傳導微分方程可以看出，滲流微分方程和溫度場微分方程是十分相似的，可以說滲流微分方程是溫度微分方程的一種特殊的型式。只要將溫度換成測壓管水頭，滲透系數改為傳熱系數，將比熱、單位體積熱生成率、熱質量傳輸速度向量設置為零。就可以采用Ansys中熱分析模塊來分析滲流場。

3 案例分析

西藏滿拉水利樞紐工程位于西藏自治區(qū)日喀則地區(qū)江孜縣龍馬鄉(xiāng)境內年楚河上，壩址距下游日喀則市113 km。擋水壩為黏土心墻堆石壩，壩長287 m，壩高76.3 m，壩頂寬10 m，有“西藏第一壩”之稱。滿拉水庫壩址以上流域面積2 757 km2，多年平均徑流量4.83億km2，壩址以上流域地處高原，海拔高程在4 200.00～7 200.00 m，高程5 000.00 m以上的面積占流域面積的54.6%。水庫設計總庫容為1.57億m3，水庫正常蓄水位4 256.0 m，死水位4 235.0 m，對應庫容為1.32億m3。壩址處多年平均洪峰流量為15.1 m3/s，百年一遇洪峰流量為393 m3/s。滿拉大壩死水位以上迎水面為干砌石護坡，坡度為1∶1.85，馬道寬為3.0 m，主堆石區(qū)采用花崗巖，主堆石區(qū)和過渡區(qū)邊坡為1∶0.5，過渡層采用天然砂礫石層，過渡層和黏土心墻坡度為1∶0.3，下游反濾層采用砂礫石，過渡層采用碎石，下游此堆石區(qū)的坡度為1∶1.7?；A覆蓋層采用混凝土防滲墻。

本次模型不考慮大壩原有的上游干砌石護坡、下游的細反濾層及碎石過渡層。只考慮上游主堆石區(qū)、上游過渡區(qū)、心墻、下游過渡區(qū)、下游次堆石區(qū),見圖1、2。由于壩基采用的是混凝土防滲墻，本次計算模型將不考慮壩基滲流，即將壩基作為不透水的邊界條件處理。從上游面到下游滲透系數分別為2.6×10-3m/s、1.0×10-5m/s、1.0×10-7m/s、1.0×10-5m/s、2.6×10-3m/s。網格劃分及壓力云圖見圖3、4。

圖1 滿拉大壩原有斷面圖 單位：高程，m；其它，mm

圖2 簡化后滿拉大壩斷面圖 單位：高程，m；其它，mm

圖3 單元網格劃分圖

圖4 大壩水頭壓力云圖

表2 滿拉大壩實測值與計算值對比表

由于邊界條件比較復雜，模型采用三節(jié)點三角形單元plane35。本文采用Ansys提供的生死單位技術，計算時將位于浸潤線以上的單元殺死，而將浸潤線以下的單元激活，然后根據施加的相應的邊界條件進行分析，并根據計算的結構不斷地殺死和激活單元，直至計算結果在允許的誤差范圍內。若想浸潤線足夠的光滑，網格劃分得必須足夠的密實，同時也提高了計算量。采用Ansys的后處理器結果查看模塊，可以實現(xiàn)結果的圖形化查看。

通過表2可以看出，計算值與實測值接近，證明Ansys熱處理模塊可以在水利工程設計中對滲流計算結果進行驗證。

4 結 語

本文從Ansys的熱處理模塊出發(fā)建立滲流場，通過對溫度場與滲流場的相似性及其微分方程、邊界條件進行對比，驗證了熱處理模塊對滲流分析的可靠性和真實性。通過西藏滿拉水利樞紐大壩實例計算，本工程計算結果與測壓管水頭實測值具有較好的一致性。

[1] 鄧苑苑.病險土石壩滲流破壞機理分析 [D].新疆：石河子大學,2006.

[2] 劉杰.土石壩滲流控制理論基礎及工程經驗教訓 [M].北京：中國水利水電出版社,2006.

[3] 鄧苑苑,劉建軍,張小燕.土石壩滲流計算的理論發(fā)展及方法探析[J].甘肅農業(yè),2006,(6):363-364.

[4] 毛昶熙.滲流計算分析與控制 [M].北京：水利電力出版社,1990：115.

[5] 程國祥,游昕穎.淺談基于Ansys的土石壩滲流場模擬 [J].甘肅科技,2011,(7):80-81.

Analysis on Dam Seepage Based on Ansys Thermal Module

WANG Hai-ling, DA Wa, WANG Hai-xia

(Agricultural and Animal Husbandry College of Tibet University, Linzhi Country, Tibet Autonomous Region 857000,China)

With the case of Laman Project in Tibet, seepage of the earth-rock fill dam on the thicker overburden in Tibet Autonomous Region is analyzed based on the basic theory and calculation methods for the seepage analysis. Through the similarity of seepage equation and thermal transmission energy equation and by application of the Ansys thermal handling module, the seepage value simulation and calculation are carried out. Comparison and analysis of the calculation results and the measured water head by piezometer prove that Ansys can be utilized for the seepage calculation. Accordingly, it can guide the late reinforcement of the earth-rock fill dam.

seepage; earthrock fill dam; Darcy's Law; Ansys

2014-11-19

王海凌(1985- )，男，藏族，研究生，主要研究水工結構方向.

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10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.020