渗流作用下土石坝防渗探讨

计磊 王博

在我国20世纪70年代以前修建的大坝,约有8×104座已运行了30年以上,有的将近半个世纪,其中相当一部分大坝存在病变和缺陷。随着时间的推移,大坝运行的各种条件(如结构、基础、环境等)将发生变化,再加上建坝时的缺陷、运行不当、环境变化等因素,使大坝一定程度上存在着设计标准偏低、基础渗漏、坝体结构性状衰减甚至恶化等影响大坝安全的问题,即使有些质量较好的工程,本身也存在材料变质或老化等影响大坝安全的问题,这就使得大坝失事的潜在危险加大,失事几率也随着上升。这不但影响了工程效益的发挥,而且会直接威胁到下游人民群众的生命财产安全。工程老化问题严重影响着大坝的安全,就渗流而言,大坝建成蓄水后,随着时间的推移,渗流环境将发生变化。首先,蓄水前坝址区液固两相间的相互作用处于相对平衡状态,蓄水后这种平衡就可能被破坏;其次,在较大的水头差作用下,坝基的薄弱部位可能产生机械侵蚀,从而造成渗流破坏。渗流问题是水工建筑物不同于民用建筑物的主要方面,渗流分析是水工建筑物设计的重要内容。渗流会引起对水工建筑物稳定不利的渗透压力,渗流也可能引起水工建筑物及地基的渗透变形破坏,过大的渗流量还会造成水库的严重漏水。

1 土石坝被广泛应用的原因

1)适用条件广。能广泛应用于各种不同地形、地质和气候条件,任何不良的坝址地基和深层覆盖层,经过处理后均可填筑土石坝。2)可就地取材。由于近年设计、施工技术的发展,放宽了对筑坝材料的要求,几乎所有的土石坝都可分区上坝,充分发挥就地取材的优势,并为导流、泄水建筑物等大开挖创造了条件。3)经济效益好。由于就地取材,从而可以节省大量水泥、钢筋和木材,减少工地以外的运输量,大幅度地缩短工期和降低造价。在工程规模相同的条件下,土石坝的坝体方量虽然比混凝土重力坝大4倍～6倍,但其单价国外仅为混凝土的1/20～1/15,有些国家甚至降到1/70～1/30。经过分析论证,土石坝工程的综合经济指标比混凝土低得多,造价最经济。

2 研究土石坝渗流问题的方法

解析法系指利用有关数学手段直接定解基本微分方程的方法。通过解析解可得到关于水头函数在所研究区域内分布的显式表达式。它既满足基本方程,又满足给定的边界条件。一般地说,解析解是比较精确的,但其实用性差,这是因为到目前为止所见到的解析解都是针对各向同性均质渗透介质和简单边界调节条件而建立的。该方法只能适应于均质的简单的工程,而对于有土工膜、排水褥垫等复杂边界条件的坝体,在计算理论未取得突破性进展前,该法使用受限。电拟法是基于电场和渗流场符合同一形式的控制方程而进行求解的。电拟模型对渗流来说是个数学模型,而不是物理模型。电拟法目前主要采用两种模型,即导电液模型和电网络模型。由于导电液模型为连续介质模型,故它便于模拟急变渗流区问题,但用它无法模拟非均质各向异性渗透介质,也不适应复杂的地质和边界条件。为了模拟更加复杂的渗流场,逐步发展和研究了电网络模型,即电网络法。该方法既可基于差分原理建立,也可基于变分原理建立,其基本原理是基于网络电路问题的解和渗流场的数值解符合同一形式的差分方程和变分方程。由于基于变分原理而建立的电网络法吸收了有限单元法的优点,故使该方法在模拟曲线边界和各向异性渗透性方面得到一定改进,尽管电网络法在渗流分析中沿用已久,但由于它具有容量、稳定性基本不受限制和在解题过程中不产生累积误差等特点,目前仍是求解大型复杂渗流场的有效工具。

3 土石坝地下水渗透数学模型的选用

1)布辛内斯克方程。布辛内斯克方程是将缓变渗流简化为水平面渗流的支配方程,适宜于研究大区域地下水运动;土石坝渗流只能计算渗流自由面变化位置,而且还得考虑坝坡边界的简化处理问题,结果可靠性差。2)拉普拉斯方程。拉普拉斯方程是逐时段求解瞬时稳定流场。结合自由面下降速度的计算,是求解非稳定渗流的最早的方法。计算结果表明:自由面下降速度与其他方程相比最慢;内部流场分布,靠近坝坡的孔隙水压力水头值最低。如果将自由面改为流量补给边界,则自由面下降速度略快,同时内部孔隙水压力消散也略转快。原因可能是把自由面作为下降流速边界处理时,计算所根据的是各时段的瞬时稳定流场所致;其次所取时段的降距常小于划分单元的高度,而用单元平均速度计算时也有导致自由面下降速度偏慢的趋势。因此不如把自由面作为流量边界处理为好,此时在有限元计算中能直接反映于计算公式作连续计算。3)扩散方程。扩散方程是直接依赖于时间项计算的。自由面边界不作任何补给条件处理时,计算结果与其他方程相比,自由面下降最快。而内部流场分布,靠近边坡的孔隙水压力水头值最高,水头坡降最大,但其消散速度也最快;在上游水位下降后的开始阶段显示出急速地向边坡排水的趋势,对边坡稳定极为不利;经历长时间后,计算结果渐趋近于拉氏方程的流场分布。如果将自由面边界加上流量补给条件进行计算,自由面下降速度转慢,其值介于拉氏方程结合自由面下降速度和结合流量补给条件的两种处理方法的计算结果之间。由此可见,自由面边界条件是否合理,影响很大。由于扩散方程的推导基于杜布依假定,严格地说,该方程只适用于自由面变化不大、沿深度方向渗流坡降变化也不大的均质土坝情况。4)固结方程。固结方程的推导考虑了土体压缩性,能够适应黏土筑坝的各种固结情况。在自由面下降过程计算中,流场内部水头可能出现高于自由面以及流场内孔隙水压力水头的消散迟后于自由面边界的变化等现象都能合理的加以解释。至于认为没有压缩性的,完全固结的土石坝问题,则是方程的特例,即拉氏方程。

4 结语

坝体及坝基砂砾石一般为土骨架、水和气所组成的三相体,在实际中应将三者综合起来加以考虑。土石坝以及坝身内设置的防渗墙、基础既是渗流场,同时也是复杂的应力场和位移场,坝体周围地表和土体在渗流的作用下会产生沉降和固结,这种效应反过来又会影响坝体周围的渗流场。实际工程中,需要建立一套新的运动微分方程,通过数值方法编写相应的计算程序,来解决非稳定渗流情况下大坝应力变形及防渗问题。

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