考虑面板厚度的面板堆石坝渗流数值分析

柯超　刘明洋　杜海文　鲁文兵

摘 要：近年，在我国的大坝建设中，面板堆石坝发展很快。这些坝具有工程量小、安全性好、可简化导流、施工方便、工期短、造价低等优点，已受到坝工建设者的重视，其设计方法和施工技术日臻完善。目前，关于面板堆石坝的渗流特性方面的研究成果尚不多见。本文通过有限单元法对面板堆石坝（算例）进行渗流数值分析，考虑当混凝土面板厚度不同情况下，面板堆石坝的渗流情况。通过分析比较结果，得出不同面板厚度对大坝渗流的影响，从而为相关设计人员提供有效的参考。

关键词：面板堆石坝；渗流；有限单元法；面板厚度；参考

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.06.218

0 引言

面板堆石坝具有工程量小、安全性好、可简化导流、施工方便、工期短、造价低等优点，已受到坝工建设者的重视，其设计方法和施工技术日臻完善。随着我国水电建设的进一步发展，此类坝体将成为一种适用性强的经济坝型。但是，就以往的经验而言，面板堆石坝和堆石坝的渗流问题一直是坝体安全的核心部分，在坝与水库失事事故统计中约有四分之一是由于渗流问题引起的。因此，正确高效地进行渗流分析和渗流控制措施的选取是面板堆石壩工程中的一项十分重要的工作。

目前，张娟[1] 建立了饱和—非饱和渗流模型，采用空间有限元离散、隐式时间差分方法求解描述饱和—非饱和渗流场非线性抛物型方程，提出了计算电厂贮灰坝渗流的数值计算方法；黄显[2] 通过有限元数值模拟方法对其闸基进行渗流分析，考虑是否设置防渗墙的两种工况，并进行计算对比，最后表明设置防渗墙后，防渗效果得到大大加强；颜高峰[3]通过建立二维稳定渗流的有限元表达，对具有黏土斜墙的某拦河坝进行了渗流分析；黄光明[4]针对碾压混凝土坝的渗流特性，深入探讨了碾压混凝土层面水力影响厚度、渗流系数的确定方法，推导了相应的计算公式，并提出了碾压混凝土坝渗流数值分析的等效均化方法；卢亚霞[5] 通过有限单元法对不同位置和不同厚度防渗墙的土石坝进行渗流计算，分析防渗墙位置及厚度对大坝渗流量及下游出逸坡降的影响。

在以上研究的基础上，笔者想利用坝基防渗理论基础，并结合有限元法，通过不同厚度面板的工程算例，比较各方案下的渗透水头和渗流量，得出渗流变化规律，证明不同厚度的面板对面板堆石坝设计的重要性，提高对面板厚度设计重要性的认识，为类似相关工程提供参考依据。

1 渗流有限元概述

有限元法在渗流分析中 ，通过连续区域的离散化、插值函数的选择可推导出矩阵方程 ，然后组合各单元的渗透矩阵集合 ，可形成整个渗流区的总渗透矩阵方程。对于无源汇和各向异性二维稳定渗流场，其基本微分方程可表示为：

由变分原理，式（1）的定解问题等价于式（2）能量泛函的极值问题。对计算区域进行离散化，并对每个单元水头插值，最终得到有限元法求解渗流场的方程组：

（3）

式中为整体渗透矩阵；为待求的结点水头向量；为常数项列阵，可由已知边界条件得到。

求解总体方程组（3），就可以得到各结点的水头值，进而可求得相应的水力比降和渗透流量。

2 工程算例

2.1 有限单元法的计算模型

算例概况。以某面板堆石坝作为研究对象，渗流边界条件为：坝基宽为500m，深度为100m，坝踵向上游为100m，坝址向下游为100m，；上游水头为80m，下游水头为10m，坝顶宽为12m。

2.2 计算模型

根据相关规定，高面板堆石坝的面板顶部厚度一般取为0.3m，然后向下方逐渐增加一个数值，取为高差的0.2%～0.35%，在此取高差的0.3%。

考虑不同面板厚度下的数值比较，即有如下两种方案：

方案一：面板顶部厚度0.3m，底部厚度0.6m；

方案二：面板顶部厚度0.5m，底部厚度0.8m。

拟定一条浸润线，利用有限元法对坝体进行初步计算网格划分，共划分146个节点及238个单元。

利用渗流场分析有限元的程序进行计算，通过不断修正水头值最终得到满足计算精度的一系列节点，然后进行最终的网格划分，共有132个节点及206个单元。

2.3 计算结果分析

以上两种方案下，面板堆石坝渗流水头等值线图分别为图1，图2。

在以上两种方案下，取面板堆石坝浸润线上相应的13个点，分别对应其上的水头值，并计算出各方案下单宽渗流量，结果见表1所示。

通过对不同工况结果分析可以看出在其他条件相同的情况下，工况一浸润线水头较高且单宽渗流量较大；工况二浸润线水头较低且单宽渗流量较小。由此可见，增加面板厚度对坝体的防渗有利的，这也为面板堆石坝的设计工作提供了一定的理论依据，为保障其后期运营提供了更好的安全保障。

其实对于具体的工程而言，由于施工条件的限制，再加上经济方面的考虑，不可能一味的按照此结论设计，但是可以在满足地质、施工和经济的条件下，尽量去满足。

3 结论

（1）通过对不同设置方案下面板堆石坝的渗流计算，得到面板越厚对防渗越有利，这符合一般的渗透规律，说明计算方法及所编程序的合理性。

（2）对于具体的工程而言，由于工程地质条件的复杂，且受施工条件的限制，再加上经济方面的考虑，模型的选择要根据实际情况而定，不能一味的遵循以上得出的结论。但是上述计算模型的建立或问题的解决，还是为混凝土面板堆石坝的渗流分析提供了一些基础。

（3）由于缺乏更多的工程实例资料，本文只是对符合有限单元法研究范围的算例进行了稳定渗流数值分析， 并且设置的不同厚度面板也只有两组，因此，对于这些程序尚需通过更多的工程实例进行验证。

参考文献：

[1]张娟，金生，李虎.电厂贮灰坝的渗流数值分析[J].中国水运（下半月），2008（12）：253-254.

[2]黄显.李溪拦河坝闸基渗流数值分析[J]. 中国水运（下半月），2012（06）：80-81.

[3]颜高峰.某防洪工程拦河大坝渗流数值分析[J].中外建筑，2011（02）：79-80.

[4]黄光明，李云，朱国金.碾压混凝土坝渗流数值分析的等效均化方法[J].水电能源科学，2006（06）：43-45+56+115.

[5]卢亚霞.土石坝防渗墙位置及厚度对大坝渗流的影响[J].科技传播，2011（14）：186+185.