渗透系数对坝下涵管周围渗流场影响研究

吴 瀚

（抚顺市水利勘测设计研究院，辽宁 抚顺 113008）

渗透系数对坝下涵管周围渗流场影响研究

吴 瀚

（抚顺市水利勘测设计研究院，辽宁 抚顺 113008）

水库大坝运行中，坝下涵管是提升大坝内部排水能力的重要结构。由于涵管构造特殊性，会对坝体内部渗流特征造成影响，从而进一步影响坝体稳定性。在不同渗透系数条件下，涵管周围渗流场会呈现不同力学特征。运用ABAQUS软件，构建坝体有限元模型，对涵管周围渗流场特征展开研究。研究结果表明，随着涵管周围渗透系数的增加，渗透流量相应增加；随着涵管距离向下游扩展，渗流流速、渗透坡降呈显著增加特征，且在出口处达到最大值；随着涵管距离向下游扩展，渗透孔压呈降低特征，且在出口处达到最小值。

水库建设；大坝设计；坝体安全；涵周渗流；渗透系数

在水库工程设计和施工过程中，涵管周围渗流稳定性不仅对坝体土体稳定性有直接影响，而且会进一步影响到坝体蓄水能力和运行安全［1］。然而，在水库运行中，影响涵管周围渗流场的因素较多，渗流冲刷长期存在且往往隐蔽而缓慢［2-4］。 因此，需要对坝体渗流情况进行模拟分析，以便提升水库大坝设计、建设和运行科学性。通过ABAQUS软件，本研究将构建坝体渗流模型，对其渗流流速、渗透坡降等进行分析。

1 工程概况

坝体断面结构如图1所示。由图1可知，坝顶宽度为5.0m，岸坡内侧坝坡比为 1∶3，外侧（下游）坝坡比为1∶2。坝体填土纵向高度为27m，坝基为10m；坝体填土与坝基填土之间有3m厚隔离层，其内部设置涵管。坝下涵管共被划分为10个分段，各段长度均为15.0m，其最大直径为3m。

图1 坝体断面结构图（垂直于河流轴线）

2 试验结果与分析

2.1 有限元模型建立

通过ABAQUS软件，对坝体渗流进行模拟分析。基于坝体渗流孔水压，绘制出坝体有限元图，结果如图2所示。

图2 坝体渗流孔压力云图

由图2可知，坝下涵管渗流孔较为集中，水压在其坝体内侧较高。在坝体填土与涵管接触区域，材料渗透系数差距较大，渗流速度、坡降以及孔压等都会产生落差，发生渗流的程度相比其它部分更大。

2.2 涵管上部渗流分析

在渗透系数k=1.0×10-4cm/s时，以涵顶中心线为基准，涵周渗流孔压从上游至下游呈显著降低特征。其中，中心线下游0～46m段，涵周渗流孔压保持基本稳定态势。在中心线下游 46m至150m段，涵周渗流孔压呈抛物线下降。在渗透系数k=1.0×10-4cm/s时，以涵顶中心线为基准，涵周渗流流速从上游至下游呈逐渐上升特征。其中，在中心线下游0～25m段，涵周渗流流速保持基本稳定态势；在中心线下游25m至150m段，涵周渗流流速呈抛物线特征增加，且最大流速达5.0 ×10-5cm/s。在渗透系数k=1.0×10-4cm/s时，以涵顶中心线为基准，涵周渗流坡降从上游至下游呈逐渐上升特征。其中，在中心线下游 0～28m段，涵周渗透坡降为0.0kPa；在中心线下游29m至150m段，涵周渗流坡降呈抛物线特征增加，且最大坡降达0.49kPa。

3 渗透系数变化对涵管周围渗流场的影响

3.1 渗流系数对渗流流速的影响

在对渗流流速进行分析时，需要基于土体渗透系数展开。如图3所示，在不设置截水环条件下，涵管顶部渗流速度随着不同渗透系数及渗透距离存在显著变化。

图3 无截水环时涵管顶部渗流流速变化曲线

表1为管顶部渗流流速变化统计表。随着涵管顶轴线距离的变化，不同渗透系数下的渗流流速都呈现上升趋势，且在出口处达到最大值。其中，当渗透系数k=1×10-3cm/s、k=5×10-4cm/s时，渗流流速增加更加明显。

表1 无截水环条件下涵管顶部渗流速度统计 单位：cm/s

3.2 渗透系数对渗流量的影响分析

渗流流量是影响渗流场的重要因素，它不仅对涵管周围土体结构有基础作用，而且还会对渗流流速产生影响［5-6］。随着涵管周围渗透系数的增加，出口渗流流量呈显著线性增加特征［7］。当渗透系数增加到1.0×10-3cm/s时，焊管周围出口I渗流流量达到最大值1.1×10-5m3/s。

3.3 渗流系数对涵管顶部渗流孔压的影响分析

本研究中，不设置截水环，并将涵管周围土体厚度设置为0.4m［8］。基于此条件，计算不同渗透系数下的涵管顶部渗流孔压，结果如表2所示。

表2 无截水环条件下涵管顶部渗流孔压计算结果 单位：kPa

由表2可知，在不同渗透系数下，随着上下游距离的变化，渗流孔压呈现抛物线型降低特征；在各距离值处，涵管顶部渗流孔压值十分接近。

3.4 渗透系数对渗透坡降的影响

达西定律已经证明渗透系数与渗透坡降之间呈现正比变化关系［9］。如表3所示，在不设置截水环条件下，不同渗透系数、流程距离对涵管顶部渗透 坡降值的影响存在差异。

表3 无截水环条件下涵管顶部渗透坡降计算值

图4为渗透系数与渗透坡降关系变化曲线。由图4可知，随着涵管顶轴线距离的变化，各渗透系数下的渗透坡降呈显著增加特征；当涵管顶轴线距离小于110.3m时，各渗透系数下的渗透坡降值十分接近，不存在显著差异；当涵管顶轴线距离大于110.3m时，各渗透系数下的渗透坡降值存在显著差异，且渗透系数1.0×10-3cm/s下的渗透坡降值最小。可见，只有在出口处，渗透系数才会对涵管周围渗透坡降值产生差异影响。

TV223.4

A

1672-2469（2017）02-0078-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.025

2016-06-14

吴 瀚（1983年—），男，工程师。