基于浑水渗流理论的某斜心墙土石坝渗流稳定机理研究

姚锋杰

（水利部山西水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

渗透破坏研究的主要内容包括对土体渗透破坏形式和渗透破坏发生的临界条件的判别。对土体渗透破坏形式的判别主要通过颗粒级配关系和粗料形成孔径与细料含量的比较；对于渗透破坏的临界条件判别需分别针对不同土性进行，一般说管涌型土的临界水力坡降较小，而流土型土所能承受的水头较大。针对管涌型和流土型土的临界水力坡降，国内外的专家学者在实验和理论方面都进行了大量研究，得到了较多的研究成果[1-17]。

在对当前土体渗透破坏形式的分类方法、渗透破坏的临界水力坡降研究成果进行深入分析的基础上，笔者认为当前渗透破坏的研究中仍存在着的一个不容忽视的问题，即浑水的出渗问题及由此造成的渗流破坏形式的演化[18-20]。

1 工程概况

某水库是一座以防洪、灌溉为主，结合发电、养殖业、城市供水等综合利用的中型水库。水库枢纽建筑物由浆砌石重力坝、土坝、粘土斜墙坝、溢洪道、放水洞等组成。水库主坝全长335 m。 因多种原因，防渗墙施工质量较差。自1980年工程竣工蓄水后运行至今，险情时有发生，直接危及大坝安全，虽然作了临时应急处理，但没有从根本上解决问题。

1980年水库蓄水后，库水位为326 m时，发现坝后约200 m处有渗漏点及渗漏带，日渗漏量近7万m3，逸出点高程302 m。经技术人员研究，采用了帷幕灌浆截渗，处理后渗漏量有所减少。

1992年5月31日，水库工程技术人员检查发现粘土斜墙上有多处塌坑；1994年3月10日，在桩号0+031和0+205处发现有两处塌坑；1995年6月20日及1999年8月，又相继发现几处塌坑。经技术人员分析研究认为，塌坑段位于古河道上，原坝基为粘土质粘结的砾卵石层，渗透系数大，如果反滤层失稳破坏，在满库运行水头压力下，渗漏将会逐渐严重，逐步形成渗漏通道，将大量泥砂淘空而沉陷。

2 粘土斜墙坝渗流计算模型

粘土斜墙坝计算模型以302 m高程线与混凝土防渗墙对称轴线交点为原点，以指向下游方向为X轴正方向，以向上为Y轴正方向建立坐标，单位为m。

渗流计算未考虑塌坑和局部不均匀的影响，坝体及坝基各部位渗透系数按勘探和设计情况进行取值。坝前粘土斜墙、坝基砂砾石层、混凝土防渗墙、反滤层渗透系数分别为 4.1×10-6、 8.7×10-3、 1.7×10-9、5×10-5m/s。坝后302.00 m高程处自由出渗。整个模型共划分12 133个单元，结点数12 392个。

基于稳定渗流理论，结合浑水渗流理论[20]，以材料本身的渗透系数为初始参数，考虑室内试验所得的浑水作用的渗透系数变化规律，即随着浑水作用时间的增加渗透系数降低，采用有限元软件Geo-Studio进行渗流计算。

3 斜墙坝渗透破坏形式分析

3.1 粘土斜墙渗透破坏形式分析

粘土斜墙坝由重粉质粘土填筑而成，填筑质量不均匀。重粉质粘土为红褐色，湿，可塑状态，干密度1.41～1.73 g/cm3，平均值为1.62 g/cm3，小值平均值为1.58 g/cm3，没有达到设计干密度不小于1.65 g/cm3的要求；标准贯入击数3.7～5.7，属中等压缩性；渗透系数平均为4.1×10-6m/s，属弱透水性。粘土斜墙坝体填筑材料级配情况：d30=0.014 mm、d50=0.025 mm、d60=0.029 mm、d70=0.034 mm、d85=0.043 mm、d95=0.051 mm。

斜墙的土质为重粉质粘土，渗透变形类型为流土，根据规范可知：坝体粘土的允许水力坡降为4～5。

3.2 反滤层渗透破坏形式分析

由于建坝时取土区内反滤材料缺乏，只在粘土斜墙下部设置了一层反滤料，反滤料采用无粘性砂，级配情况：d10=0.028 6 mm、d30=0.048 1 mm、d50=0.728 mm、d60=0.892 mm、d95=1.818 mm，Cc=0.912、 Cu=5.12。

根据 《水利水电工程地质手册》及GB50287-99《水利水电工程地质勘察规范》的有关规定，代入上述试验参数，判定该砂层的渗透破坏形式为管涌。

根据土颗粒自重、静水浮力及渗透力相平衡原理得到的临界水力坡降为0.45。

4 反滤层管涌破坏计算分析

由于反滤层没有按照规范进行设计，不能保证自身的稳定，而下游卵砾石阶地渗透系数较大，孔隙发育。在库区高水位作用下，反滤料可被渗透水流冲蚀，进入下游卵砾石阶地，一旦反滤层破坏，粘土斜墙将失去保护。上述情况给大坝的正常运行留下了严重的安全隐患，造成坝体接连发生严重的渗透破坏，坝面产生严重的塌陷，坝体产生上、下游贯通的渗漏通道。

4.1 死水位计算结果

在死水位306 m作用下反滤层的水头等值线如图1所示。从图1可以看出，计算所得总水头线分布均匀，大部分水头由粘土斜墙承担。由于防渗墙渗透系数较小，几乎所有的流线都从防渗墙顶绕过，导致在防渗墙顶位置渗流较集中，成为渗透水流通过的主要路径。计算得到防渗墙顶粘土部分承受着较大的水力坡降，最大值为2。死水位作用下，在反滤层中水力坡降最大值约为0.017，远小于临界水力坡降0.45，粘土斜墙坝处于安全状态。

图1 死水位作用下反滤层水头等值线

4.2 正常蓄水位计算结果

4.2.1 初始参数

在正常蓄水位 （336.00 m）作用下的反滤层水头等值线如图2所示。从图2可以看出，水头线集中分布于粘土斜墙和反滤层中，其中粘土斜墙承受着大部分的水头，反滤层中的水头线分布于底部和顶部，又以底部较密集。反滤层与砂卵石阶地接触位置流速、水力坡降随X坐标变化关系见图3。从图3可以看出，流速大于1×10-5m/s的分布范围较大，给渗流留下了很大的安全隐患。在反滤层底部的水力坡降最大值已达到4，为临界水力坡降值0.45的8倍多；反滤层与砂卵石阶地接触位置处的最大水力坡降值为0.6，大于临界水力坡降值0.45，该位置也存在渗透破坏危险。分析认为，砂卵石阶地的渗透系数较大，级配不良，不能有效防止反滤层颗粒的流失，同时由于反滤料自身级配不能保证稳定，在水力坡降大于临界水力坡降时会发生管涌破坏。

图2 正常蓄水位作用下反滤层水头等值线

图3 正常蓄水位作用下，反滤层与砂卵石阶地接触位置流速、水力坡降随X坐标变换关系

基于此，选择反滤层中水力坡降大于临界水力坡降的区域，采用浑水渗流程序进行计算，计算中为通过调整渗透系数体现考虑浑水作用导致孔隙堵塞而造成渗透性能降低的过程，考虑了两种浑水计算工况。需要说明的是，降低程度不是无限的，是随着时间的推移最后变化很小，浑水计算工况2即是最终稳定渗透系数。

4.2.2 浑水渗透系数变化计算工况1

工况1：土体渗透系数从5×10-5m/s变化至5×10-4m/s历时 1 700 s， 而从 5×10-4m/s到 5×10-3m/s的过程则只用200 s。选取水力坡降大于0.45的区域进行计算，计算面积约2.3 m2，深1.5 m，宽约1.3 m，出口面积1 m2，初始孔隙率为0.4，与初始值一致。

在正常蓄水位作用下，反滤层会发生管涌破坏，初始参数时，反滤层已经有一部分发生管涌。在此基础上利用Geo-Studio对工况1进行计算，得到水头等值线如图4所示，总水头仍旧分布于粘土斜墙和反滤层中，与初始参数计算结果比较，粘土斜墙承受的水头比重更大，反滤层中由于部分管涌破坏的影响，水头线分布更加密集。反滤层底部局部位置最大流速已达4.8×10-5m/s，且分布范围集中，使此处更容易发生渗流破坏。反滤层底部的水力坡降值仍然很大，未发生管涌破坏的反滤料外边缘水力坡降值已达5.8左右，为临界水力坡降值0.45的10倍多，管涌的发生已是不可避免。

图4 工况1反滤层水头等值线

对以上计算结果进行分析可知：整个管涌过程中渗透系数都呈现出明显的增大趋势，且随着时间的增长渗透系数增大速率也加大，这与土体的管涌破坏发展过程较好的吻合。在初始时刻，由于被渗透水流带出管涌口的为细小颗粒，且流量和流速均较小，细颗粒的流失速度相应较慢，所以渗透系数增长较慢，但土体中细颗粒的流失导致局部渗透系数增大，使管涌水向该区域集中，加快了管涌的发展，随着细颗粒的不断流失，土体骨架的孔隙通道越来越大，可以允许一些较大粒径的颗粒通过，此时管涌的发展就会呈现出加速的趋势。速率变化非常明显说明反滤层中的粘性颗粒一旦完全流失，反滤层将在很短时间内破坏。

流量随时间呈现不断加速的增长趋势。随着细颗粒的完全流失，孔隙率、渗透系数随时间的变化加快，是流量随着时间变化迅速增加的直接原因。流量、渗透系数的变化规律完全吻合，说明渗透系数与流量之间会互相促进，会加速管涌集中渗流通道的发展。

4.2.3 浑水渗透系数变化计算工况2

工况2：土体渗透系数从5×10-5m/s变化至5×10-4m/s历时 1 170 s， 而从 5×10-5m/s到 5×10-3m/s的过程则只用100 s。其余同工况1。

在对反滤层进行第一次浑水渗流计算的基础上，进行工况2的计算，得到的水头等值线如图5所示。从图5可以看出，所有的水头都由粘土斜墙承担，在粘土斜墙底部水头线分布密集，造成在此位置水力坡降很大，粘土斜墙底部与原反滤层接触位置最大流速为7.3×10-5m/s，其值较大，但分布范围较小，流速为3.16×10-5m/s的区域分布很明显；最大水力坡降值已达到20。

图5 工况2水头等值线

反滤层的管涌破坏致使在防渗墙顶部的粘土斜墙部分失去反滤层的保护，而此处粘土斜墙中的水力坡降为20左右，已大大超过了粘土斜墙的临界水力坡降，在库区高水位作用下，此位置必然发生流土破坏，使粘土斜墙被击穿，发展为贯通上下游的集中渗漏通道，这是大坝在蓄水后粘土斜墙上出现多处塌坑的直接原因。

5 结论与展望

通过对该水库的渗流计算，认为此水库的粘土斜墙部分不满足渗透稳定要求。由于斜墙反滤层设计的不合理，造成其在库区高水位作用下发生了管涌破坏，且在很短的时间内反滤层土料即被渗透水流破坏，给粘土斜墙坝留下了安全隐患。

粘土斜墙防渗体厚度不足，在库区高水位作用下，粘土斜墙中实际承受的水力坡降已远远大于临界水力坡降，且上部未设保护层，在下部反滤层发生管涌后，粘土斜墙已接连出现严重的渗透破坏，多处被击穿，击穿处坝体已形成上下游贯通的渗漏通道，粘土斜墙已经失去了整体防渗的功能。建议除险加固从加大防渗体厚度和设置保护层入手。本文通过有限元计算得到了与工程实际相近的结果，验证了计算程序的可靠性，可为粘土斜墙坝的除险加固理论计算提供参考。

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