ANSYS在土石坝防渗加固分析中的应用

摘 要 ： 为了评价多头小直径深搅桩防渗墙的防渗效果，通过有限元软件ANSYS热分析模块APDL参数化语言结合反演分析理论，分析了大坝加固前后的渗流特性，对比其浸润面、逸出点、渗流流量的变化。计算结果表明ANSYS热分析能准确得模拟大坝渗流状态，多头小直径深搅防渗墙能有效降低大坝渗流量，加强坝体稳定性，该防渗加固方法可广泛推广应用。

关 键 词 ： 多头小直径；深搅桩防渗墙；防渗加固；APDL；反演分析 1 引言

多头小直径深搅桩防渗墙技术在近几年得到了较大范围的应用，但对其防渗效果工程界还无准确的定论。本文运用ANSYS热分析模块，分析某土石坝防渗前后渗流量的变化，为多头小直径深搅桩防渗墙技术的推广提供一定的理论依据。

2 ANSYS分析渗流原理

渗流本是复杂的三维应力场问题，但考虑到坝身长度远大于坝宽，可将其简化为二维问题加以研究。假设坝体每层土体为各向同性并不可压缩，在稳定流作用下，渗流控制方

程为：

式中： 、 分别为 、 方向的渗流系数； 为水头。 而热力学二维微分控制方程为：

式中： 、 分别为 、 方向的热传导系数；T为温度。 由（1）式和（2）式可以看出，渗流场和热力场的控制方程相同。同样，在边界条件、坡降、流量计算等方面两者也具有高度的一致性。由此，不难看出渗流场其实是热力场的一种特殊情况，通过ANSYS热力学模块仿真模拟大坝渗流是合理的。

3 有限元模型建立及渗流系数反演 3.1 有限元模型建立

为了分析多头小直径深搅桩防渗墙技术防渗效果，选取某水库经多头小直径深搅桩防渗墙技术防渗后的典型断面CS01进行分析。

坝基土层分布如下： ①层为粉质黏土，主要是人工填筑而成。由于多次加高，碾压不实渗透严重；②层为粉质黏土，塑性较好，层内发现多处小孔，粉性局部略大。上述两层为渗流发生主要区域；③层为粉质黏土夹粉土；④层为粉质黏土，其下部为完整基岩，可视作不透水层。

通过ANSYS 的APDL命令输入各关键点坐标，然后分别创建线和面建立大坝平面模型。采用PLANE55三角形单元，通过独立土层单独划分网格并对可能逸出点所在位置附

近进行网格局部加密。防渗加固前建立了2009个节点、3737个单元，加固后建立了2026个节点3771个单元。加固前后的有限元网格划分见图1： 3.2 渗流系数反演

由于该水库修建时间较早，随着时间的推移，地质条件等均会发生一定的变化，如果依然采取原有勘察资料所确定的渗流系数则存在失真的风险。所以，需要根据实测资料与有限元计算结果对渗流系数进行参数反演。

本文选择运行常水位（+14.95m）进行有限元计算。通过反复调整渗流系数，得到与实测结果吻合较好的结果如表1所示：

表1 观测值与计算值误差分析

由上表可以看出，ANSYS计算结果很好的吻合了现场实测结果，这说明ANSYS能准确得模拟大坝渗流。 4 防渗效果预测分析 4.1 渗流有限元计算

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）的规定，结合二圣桥水库的具体现状，渗流分析计算按设计及校核两种水位组合情况进行计算分析。

（1）设计洪水位17.58m，稳定渗流，自由出渗； （2）校核洪水位18.86m，稳定渗流，自由出渗。渗流系数取反演结果值。