基于数值分析的土石坝渗流稳定评价

王晶

【摘要】针对红花岭水库下库渗流量大的问题，采用“理正渗流分析软件”对大坝进行渗流稳定评价。通过对坝基和坝体的渗透稳定分析得出结论：坝基土和坝体土的最大渗透坡降均小于允许渗透坡降，不存在发生管涌或流土的危险。分析过程表明，理正渗流分析软件为实际工程应用提供了高效的解决方案，提高了多工况、复杂工况的渗流分析效率。

【关键词】理正渗流分析软件；渗流稳定评价；渗透变形；土石坝

1 项目背景

红花岭水库下库位于深圳市坪山新区坪山办事处红花岭社区，建成于1974年。水库集雨面积3.03km2，正常蓄水位153.3m，正常库容207.0万m3，总库容322.80万m3，为小（1）型水库。水库设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为1000年一遇。目前水库主要功能是防洪、供水。水库大坝坝型为均质土坝，坝顶高程158.9m，最大坝高25.3m，坝顶长227m，坝顶宽5m。

在对红花岭下库进行大坝安全巡视检查时发现大坝的左侧滲流量较大，现场能听到流水声，且现场测得量水堰堰上水头0.07m，计算得坝后渗流量为157m3/d。根据现场水库管理员介绍，大坝左侧渗流量大的问题长期存在。为了避免大坝出现渗透变形，对其进行渗流稳定评价是很有必要的。

2 土石坝渗流稳定评价

2.1渗流观测资料分析

2.1.1渗流观测布置

红花岭下库在排水棱体下游的排水沟内设有一量水堰，进行大坝渗流日常观测。在大坝上布设2个观测断面，每个观测断面上布设3个观测点，共设置6根测压管，测压管正常工作。

2.1.2观测资料分析

根据现场水库管理员的大坝安全监测记录，堰上水头集中在70-100mm，根据规范公式计算得坝后渗流量为157-383m3/d。测压管观测记录显示当水库在低水位（150m）以下运行时，3#、6#孔经常发生干孔现象，且测压管实测数据显示浸润线较低。

2.2渗流计算分析

2.2.1参数选取

根据地勘成果，大坝计算层主要由坝体填土、坝基土等组成。大坝渗流复核所采用的渗透系数见表1。

表1 填筑土料及坝基物理力学指标表

部位 湿密度 干密度 凝聚力 内摩擦角 渗透系数

g/cm3 g/cm3 kpa 度 cm/s

坝体填土 1.98 1.52 28 20 1.37×10-4

坝基土 1.76 1.42 22 24 9.1×10-5

排水棱体 2.5 2.5 0 45 5.0×10-3

2.2.2计算方法及工况

取坝体的最大断面，即0+143.1断面为典型断面进行计算，大坝渗流分析采用北京理正软件设计研究院的《理正渗流分析软件》进行计算。选择大坝标准断面采用有限元法进行渗流分析。软件要求输入的参数主要有大坝的典型断面图，各土层的渗透系数及相应工况下的上、下游水位。

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）规定，大坝的渗透稳定分析应考虑水库运行中出现的不利条件工况进行计算。

红花岭下库渗流稳定计算工况见表2：

表2 渗流稳定计算工况表

工况 上游水位（m） 下游水位（m） 备注

正常蓄水位 153.30 133.70 下游水位计算值取到下游地面线。

设计洪水位 155.70 133.70

校核洪水位 156.64 133.70

2.2.3计算成果及分析

（1）计算坝体浸润线及单宽渗流量

大坝各种水位工况下浸润线成果见图1-图3，单宽渗流量成果详见表3。

图1 大坝正常蓄水位工况浸润线成果图

图2 大坝设计洪水位工况浸润线成果图

图3 大坝校核洪水位工况浸润线成果图

表3 大坝典型断面单宽渗流量计算成果表

计算工况 单宽渗流量（m3/d/m）

正常蓄水位 0.506

设计洪水位 0.352

校核洪水位 0.331

根据以上计算结果：正常蓄水位、设计洪水位、校核洪水位三种工况下的坝体渗流量都不大；设计洪水位、校核洪水位两种工况下的浸润线较高。根据2008年8月《小型水库除险加固工程初步设计报告（第一批）》中对红花岭下库渗流稳定计算的成果进行对比，其结果较为一致，且本次成果渗流量偏小。根据本次成果计算得正常蓄水位下渗流量为114.862m3/d。根据正常蓄水位下浸润线计算成果，与库水位为153.24m时的实测浸润线（见图4）相比，比实测值偏高。

图4 大坝153.24m水位实测浸润线成果图

（备注：图中红色实线为本次计算成果，绿色实线为实测成果。）

（2）坝基及坝体渗流稳定分析

a.坝基地质情况分析

根据《深圳市小型水库除险加固工程坪山街道红花岭下库岩土工程勘察报告》（深圳市广汇源水利勘测设计有限公司，2008.09）。

工程地质条件评价：坝体填土平均渗透系数为1.37×10-4 cm/s。坝基土渗透系数平均值为9.11×10-5 cm/s；强风化、中风化花岗岩，透水率为11.1Lu；微风化花岗岩平均透水率4.3Lu。坝体属中等～弱透水性；坝基砾质粘性土为弱透水性，强、中风化花岗岩为中等透水性，微风化花岗岩为弱透水性。综上所述，大坝存在的渗漏方式主要为坝基基岩渗漏，强风化、中风化花岗岩是坝基渗漏的主要途径。

b.坝基渗透稳定分析

坝基共分为3层，从上至下第一层为砾质粘性土，层厚2m，渗透系数2.50×10-5cm/s；第二层为中风化花岗岩，层厚2m，渗透系数1.65×10-4cm/s；第三层为微风化花岗岩，层厚2.4m，渗透系数6.45×10-5cm/s。砾质粘性土、微风化花岗岩属弱透水性，可视为相对隔水层；中风化花岗岩为透水性，可视为相对透水层。按照有限深透水地基上均质坝的渗流计算，得出正常蓄水位下坝基的渗流量为10.5m3/d。

渗透临界坡降Jc

（太沙基公式）

式中：γs---土粒容重；

γ---水容重；

n---土体孔隙率；

k---安全系数为1.5～2.0；取2.0。

经计算：坝基第一层砾质粘性土

Jc=（2.63/1-1）（1-0.412）/2.0=0.48

坝基内最大渗透坡降值：J=△H/△L

式中：△H---浸润线上进出口两点间的水头差；

△L---浸润线上进出口两点间的水平距离；

表4 坝基渗透比降成果表

计算工况 最大渗透比降 允许渗透比降

正常蓄水位 0.18 0.48

设计洪水位 0.21 0.48

校核洪水位 0.22 0.48

由计算成果及分析可以看出，大坝坝基在各种工况下，坝基土的最大渗透坡降均小于允许渗透坡降，不存在发生管涌或流土的危险。

c.坝体渗透稳定分析

渗透临界坡降Jc

（太沙基公式）

式中：γs---土粒容重；

γ---水容重；

n---土体孔隙率；

k---安全系数为1.5～2.0；取2.0。

经计算：坝填土

Jc=（2.61/1-1）（1-0.387）/2.0=0.49

坝体内最大渗透坡降值：J=△H/△L

式中：△H---浸润线上进出口两点间的水头差；

△L---浸润线上进出口两点间的水平距离；

表5 大坝典型断面渗透比降成果表

计算工况 最大渗透比降 允许渗透比降

正常蓄水位 0.22 0.49

设计洪水位 0.24 0.49

校核洪水位 0.25 0.49

由计算成果及分析可以看出，大坝在各种工况下，坝填土的最大渗透坡降均小于允许渗透坡降，不存在发生管涌或流土的危险。

3 结语

渗流对土体产生渗流作用力，从宏观上看，这种渗流力将影响坝的应力和变形状态，从微观上看，渗流力作用于无粘性土的颗粒以及粘性土的骨架上，可使其失去平衡，产生管涌、流土、接触冲刷、剥离、化学管涌、散浸等型式的渗透变形。渗透变形一般首先在小范围内发生，逐步发展至大范围，最终可能导致坝体沉降、坝坡塌陷或形成集中的渗流通道等，危及大坝的安全。因此，对大坝进行渗流稳定评价是非常有必要的。本文的理论分析和计算实例表明，理正渗流分析软件能够快速、準确确定大坝在不同工况下的浸润线以及单宽渗流量，从而为实际工程应用提供了高效的解决方案。理正渗流分析软件强大的计算分析功能为工程应用提供了极大的便利，提高了多工况、复杂工况的渗流分析效率。

参考文献：

[1] 陈胜宏.水工建筑物. 北京：中国水利水电出版社，2003.