基于饱和理论的渗流分析研究及应用

李 培,陈瑞亮,唐岳灏

(长江工程职业技术学院，武汉 430212)

基于饱和理论的渗流分析研究及应用

李 培,陈瑞亮,唐岳灏

(长江工程职业技术学院，武汉 430212)

介绍了基于饱和理论渗流分析的基本理论和基本方法，并将此理论应用于工程实际，以杨庄水库除险加固工程为例，对坝体现状进行不同工况下的渗流分析，以此为坝体防渗加固方案提供依据。并对防渗加固后的情况模拟进行渗流分析，说明加固后渗流控制情况较好。

渗流分析; 防渗加固; 有限元; 工况

水库的除险加固主要要解决的问题之一是渗流。而渗流是由于水工建筑物的上游和下游水位不一致，形成水位差，上游的水在水位差的压力下就会通过坝体或坝基渗到下游，而造成安全隐患。

1 基于饱和理论的几个渗流分析方法

渗流分析的方法主要有理论分析法和试验分析法。理论分析法包含流体力学法和水力学法。流体力学法的计算方法复杂，计算结果比较精确，但是目前只能解决几种比较简单的渗流边界问题。水力学法计算相对简单，但这种方法却不能计算出渗流场中任一点处的渗流要素。而且计算结果还有一定误差。为了尽量提高计算精确度，目前采取的方法是三种方法融合，用流体力学法和实验分析法的结果对水力学法进行局部修正[1]。

1973年Neuman提出了用有限元法求解土坝饱和—非饱和渗流的数值方法。后来，这个理论被日本的赤井浩一进行了试验和数值计算[2]。经过几十年发展，到1996年chen发展了用四边行网格进行自适应渗流分析的方法，大大提高了渗流计算的工作效率[3]。

2 大坝现状渗流计算方法与计算工况

杨庄水库坝址位于襄阳区古驿镇张坡村，水库枢纽工程于1958年6月动工兴建，1959年4月竣工，建成为一座小(2)型水库；水库于1975年9月扩建，于1976年2月竣工，建成为一座小(1)型水库。水库原设计总库容498万m3，其中兴利库容355万m3，死库容5.5万m3。

大坝渗流计算采用有限元二维渗流计算方法。采用渗流分析软件，此软件适用于各类大坝、不同坝基、各种水位下的大坝渗流稳定分析。渗流计算选取位于大坝最大坝高0+450断面作为计算断面，土层渗透系数按各向同性考虑。

在渗流计算时，考虑大坝坝基为有限深透水地基。计算工况见表1。

表1 计算工况表

2.1 参数选定

大坝坝体各土层的渗透系数取值根据地质勘探资料确定，0+450断面坝体与坝基的渗透系数分别为3.39×10-4cm/s，1.69×10-6cm/s。

2.2 计算结果

二维渗流计算正常蓄水位下稳定渗流等势线图见图1，渗流计算结果见表2。

图1 杨庄水库在正常蓄水位下稳定渗流等势线图

表2 二维渗流计算结果

2.3 计算结果分析

杨庄大坝坝体及坝基土层主要为粉质黏土，根据地质资料确定坝体渗流比降允许值J允=0.55。

根据渗流计算结果，大坝在校核洪水位稳定渗流期渗流下游逸出点比降值大于允许渗流比降0.55，不满足要求，并且在该工况下单宽渗流量较大，出逸点也较高。

大坝坝基和坝肩分布第四系上更新统冲洪积黏性土，强度和透水性满足低土石坝坝基要求。但大坝填筑料为低液限粉质黏土，压实度偏低，渗透系数偏大。因此，坝肩不需要进行防渗加固，坝体需要进行防渗加固。

3 杨庄水库大坝加固后渗流稳定计算

3.1 计算参数及计算条件

3.1.1 筑坝材料

坝体填土以黄褐色黏土为主，下部夹部分灰色、灰黑色粉质黏土，填土总体呈可塑状、局部软塑状。填土粉、黏粒含量在97.0%左右，成份较单一，上部夹少量砖头、碎石及植物根茎，中、下部土质均匀。经室内土工试验：填土干容重在13.8～16.5 kN/m3之间，仅有5.5%的土样达到填土控制干容重15.9kN/m3的最低要求，样品合格率为5.5%，填土干容重平均值15.1kN/m3，实际压实度仅为0.89，坝体填土碾压欠密实。填土综合性渗透系数在1.98×10-4～4.21×10-4cm/s，平均3.39×10-4cm/s，属中等透水层。

3.1.2 渗透系数

根据前期试验成果和经验，渗流计算中采用坝体坝基材料渗透系数如表3所示。

表3 坝体坝基材料渗透系数表

3.1.3 渗流计算水位选取和计算工况

根据前期基础资料，水库坝体的最大断面是0+450，选此典型断面进行相关渗流计算。

根据本水库的运行情况，按最新设计导则《小型水利水电工程碾压式土石坝设计导则》(SL189-2013)规定，按稳定渗流和非稳定渗流两种情况，对以下几种水位组合的工况进行计算。

稳定渗流工况：

①上游校核洪水位107.38m时稳定渗流，下游水位94.20m；

②上游设计洪水位107.13m时稳定渗流，下游水位94.20m；

③上游正常蓄水位106.50m时稳定渗流，下游水位94.20m。

非稳定渗流工况：

④库水位从校核洪水位107.38m骤降至正常蓄水位106.50m非稳定渗流；

⑤库水位从正常蓄水位106.50m骤降至死水位97.00m非稳定渗流。

水位降落情况考虑两种工况：库水位在30h内从校核洪水位107.38m降至正常蓄水位106.5m和库水位在10天时间内从正常蓄水位106.5m降至死水位97.0m。下游水位很浅，近似取地面高程。

3.1.4 计算理论及计算程序

坝体渗流计算采用渗流计算软件进行。该程序能够较好地解决分区复杂的土石坝的饱和与非饱和渗流分析问题[4]。

本模型采用平面有限元法进行求解。计算断面取大坝典型断面，即桩号0+450m断面。整治后典型断面渗流计算网格见图2。整治后校核洪水位坝体典型断面时的渗流场分布见图3。土层渗透系数按各向同性考虑。

计算成果如表4、图2、图3所示。

3.2 计算成果分析

由前面计算结果可知，在三种稳定渗流工况下，坝体浸润线均从贴坡排水体外坡出逸，出逸点高程均为96.20m；下游坡面的最大渗流坡降整治后为0.237～0.176，小于坝体黏土的允许坡降；水库在校核洪水位、设计洪水位和正常蓄水位时，大坝坝体的单宽渗流量为6.0989×10-6～5.0372×10-6m3/s·m，0.526～0.489m3/d·m，渗流量较小，在大坝设计允许范围内。由此可见，坝体防渗和下游排水处理的效果比较显著。

表4 50+450断面整治后关键部位渗透坡降和单宽渗流量表

图3 整治后校核洪水位坝体典型断面时的渗流场分布图

[1] 刘 杰.土的渗透稳定与渗流控制[M].北京：水利电力出版社，1992:3-22.

[2] 赤井浩一.用有限单元法分析饱和非饱和渗流问题[A〕.日本土木学会论文报告集[C].1977-1978.

[3] Chen S H.Adaptive FEM analysis for two-dimensional uneonfined seePageProblems[J].Joumal of Hydrodynamies，Ser.B，1996(1):60-66.

[4] 陈仁杰. 浅谈水利水电工程设计[J]. 科技信息, 2010(17).

[5] 石炎河. 吴家庄水库溢洪道水力计算[J]. 科技情报开发与经济, 2007(20).

Study and Application of Seepage Analysis Based on Saturation Theory

LI Pei, CHEN Rui-liang, TANG Yue-hao

(Changjiang Institute of Technology, Wuhan 430212, China)

The basic theories and methods of seepage analysis based on the Saturation theory are introduced and applied to engineering practice. Taking the reinforcement project of Yangzhuang reservoir as an example, the seepage analysis of dam body under different working conditions is made so as to provide references for dam reinforcement plan. The simulated seepage analysis of the reinforced dam body is carried out and the result indicates that the seepage control is better.

seepage analysis; reinforcement; finite element; working conditions

2017-01-20

李 培(1983-)，女，湖北黄陂人，讲师，硕士，主要从事水利水电工程教学工作。

TV641/TV139.14

A

1673-0496(2017)02-0014-03

10.14079/j.cnki.cn42-1745/tv.2017.02.005