耦合作用下蓄水速度对心墙坝渗流性态的影响分析

尹伟强+傅琼华+高江林+周清勇+彭圣军

摘要：：水库初次蓄水速度直接影响土石坝的渗流安全，水位上升使得坝体内应力场复杂多变，影响渗流性态，而忽略應力场影响对渗流分析易造成偏差。基于饱和-非饱和土渗流理论，在考虑初始应力场和渗流场的基础上针对蓄水速度对渗流场的影响进行数值模拟，并对比和研究了蓄水过程中考虑和不考虑应力场影响下的渗流性态。结果表明，蓄水速度较慢时，应力对各水力要素影响不明显，提高蓄水速度，心墙上游局部存在较大的水力梯度，孔隙水压力突变并集中分布，对坝体不利，考虑应力耦合影响计算结果偏于安全。因此，初次蓄水渗流分析有必要考虑应力场的影响，并严格控制初次蓄水速度。

关键词：心墙坝；流-固耦合；蓄水速度；渗流性态

中图分类号：TV139.1 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）04-0168-07

Abstract：The initial impounding speed directly affects the seepage safety of the earth-rock dam，water rising makes the stress field of the dam complicated and changeable，it may impact seepage state，while ignoring the influence of stress field on the seepage analysis is easy to cause some deviation.Based on the saturated- unsaturated seepage theory，In consideration of the initial stress field and seepage field，analysis the influence of seepage state with different impounding speed by using numerical simulation，then compared and studied seepage behavior under the influence of stress field.The results show that at slow impounding speed，the stress has inconspicuous influence on the hydraulic factors.Increasing impounding speed then local existence of large hydraulic gradient，pore water pressure mutated and clustered，these adverse to the dam，the calculation result is safer when considering the seepage-stress coupling.Therefore，it is necessary to consider the influence of the stress field on the first water storage seepage analysis，and strictly control the initial water impounding speed.

Key words：core dam；seepage-stress coupling；impounding speed；seepage state

土石坝渗流问题长期以来为工程界所关注，由渗流引起的破坏与变形是造成土石坝失事和溃坝的主要原因之一，且渗透破坏大多数出现在蓄水初期[1-2]。水库初次蓄水时，心墙处于非饱和状态，库水位快速上升使得水流不能及时渗入心墙，形成了心墙内外的水压力突变，易引起渗透破坏[3]。美国的提堂（Teton）大坝就是由于初次蓄水时心墙坝料接触部位形成逐渐内部冲刷并发展为管涌，导致大坝决口破坏[4]；奥地利Gepatsch心墙坝在初次蓄水后坝顶出现严重的纵向裂缝、坝壳湿陷变形等现象。

以往的渗流研究中，对初次蓄水速度的影响研究较少[5-7]，着重于研究库水位变化对渗流场和应力变形等方面的影响[8-12]，而对土坝渗流场的研究往往忽略了早期施工初始应力场、渗流场及蓄水过程应力耦合作用的影响，未能反应实际状态下的渗流场。事实上，土坝施工期由于坝料初始含水率及土料受力压密变形的影响，存在较大的孔隙水压力及坝体变形，直接影响蓄水初期的渗流性态[13]。坝体应力变形与渗流之间存在复杂的耦合作用，渗流通过改变作用在土体的渗透体积力和渗透压力而改变有效应力分布，应力通过影响土体的体积应变和孔隙比而影响渗透系数，改变土体渗流流速和孔隙水压力的分布[14]。因此，有必要在研究初次蓄水速度时考虑应力场-渗流场耦合作用对坝体渗流性态的影响。

为此，本文基于饱和-非饱和土渗流理论，结合实际工程，建立了多孔介质材料的渗流场与应力场耦合分析的非线性数学模型。从孔隙水压力、渗透流速、水力梯度等方面研究，并对比不同蓄水速度下考虑和不考虑应力场影响的渗流性态，为今后类似工程的设计和运行管理提供科学合理的依据。

1 计原算理与实施

1.1 平衡方程

2.1 计算模型及概况

东谷水利枢纽工程位于江西省安福县境内的东[HJ2.25mm]谷河上，水库总库容1.257亿m3，电站装机容量16 MW，是一座以灌溉和发电为主、兼顾防洪等综合利用的大（二）型水库。工程于2009年12月基本建成并开始下闸蓄水，拦河坝采用黏土心墙坝，坝顶高程149.80 m，最大坝高67.8 m。大坝防渗心墙位于大坝中心部位，心墙材质为粉质壤土和重粉质壤土，心墙上游设过渡层、下游侧设反滤层，上下游坝壳采用石碴混合料，下游坝趾设堆石排水体，坝体最大剖面见图1。

为比较和研究不同蓄水速度对坝体渗流性态的影响规律，计算工况同时按考虑和不考虑应力场的影响进行渗流计算。耦合分析中，需各自定义应用位移和水力边界条件，上、下游水位以下的入渗面及出逸面属第一类边界，对于库水位上升的非稳定渗流，上游迎水面为变水头边界，蓄水速度分别以0.5 m/d、1.0 m/d、2.0 m/d线性增加至正常蓄水位146.0 m，下游水位取85.98 m。坝基设无限区域并施加x、y两向约束，坝坡面及其余边界均为自由边界，各工况下耦合计算的初始条件和边界条件与非耦合计算中相同。

3 计算结果分析

为了更直观和准确的分析水库蓄水速度及应力场对心墙坝渗流场的影响，在心墙区及坝壳料区选取A、B两个监测点。追踪其渗透特性随水库蓄水速度的变化。监测点布置详图见坝料分区图1，结果分析如下。

3.1 蓄水速度对坝体孔隙水压力的影响

心墙孔隙水压力一部分来自坝体填筑过程中坝体自重荷载引起的体积力，另一部分是初次蓄水后水流渗入心墙引起的水压力。由于心墙内的水与心墙上游水不连通，致使心墙内外的孔隙水压力是突变的[18]。图4为不同蓄水速度下库水位上升至正常蓄水位146.0 m时心墙内孔隙水压力分布图。结果表明，浸润线顺着坝壳料向心墙下游延伸，浸润线上升相对库水位上升而言，存在滞后现象，且蓄水越快滞后现象越明显，同时坝体内孔隙水压力有所减小；蓄水速度为0.5 m/d时，坝壳料浸润线大致呈水平，心墙承担大部分水头，浸润线下降平缓。蓄水速度为2.0 m/d时，浸润线变化逐渐向上游转移，水头损失集中至心墙上游面附近，心墙内浸润线下降较陡。究其原因，由于心墙土料的渗透系数较小，浸润面推进较慢形成稳定渗流需要很长的时间。当蓄水较慢时，坝体内浸润线能随水位缓慢上升，心墙内能及时达到饱和。反之，随着蓄水速度的增大，水流来不及渗入心墙，坝体内浸润线不能随水位同步上升，坝体内饱和区范围变小。

考虑耦合作用后，心墙内饱和区域范围及孔隙水压力值均有所减小，考虑应力场影响使得浸润线下降变陡，孔隙水压力等势线突变并集中分布现象显著，且蓄水速度越大受应力场影响越明显，这意味着心墙局部存在较大的水力梯度，这对坝体来说是不利的。这是由于蓄水初期，坝体填土料浸水少，坝体内孔隙水压力小而有效应力较大，土颗粒受力压密变形，因此受应力影响的渗透系数显著低于不考虑应力的渗透系数，致使耦合分析所得的浸润线较低，孔隙水压力也较低。

图5为不同蓄水速度下坝体有效应力分布图。坝体蓄水后由于浮力和水压力的影响，心墙上游侧坝壳的大主应力低于下游侧的大主应力，心墙应力拱效应逐渐消失。同时由于心墙受水压力作用，上游坝壳料部分区域小主应力降低至接近于零。蓄水速度增大，浸润线上升缓慢，坝体内孔隙水压力变化滞后，使得坝体内仍存在明显的拱效应。已有研究表明，墙前水位上升快和心墙拱效应是水力劈裂发生的条件之一[19]。因此，水库加快初次蓄水速度不利于心墙有效应力分布，影响坝体安全。

3.2 蓄水速度对渗透流速的影响

图6是坝轴线断面上不同点的流速随高程变化曲线。结果表明，提高蓄水速度，心墙内渗透流速数值上有所减小，饱和区的渗透流速大于非饱和区；各工况下计算所得渗透速度具有相似的分布规律，即渗透速度在心墙内随高程变化呈现先增后减的趋势，在自由面处即饱和和非饱和交界面上，流速都出现突变现象，这是因为饱和区渗透系数远大于非饱和区，随着库水位上升，基质吸力逐渐减小，心墙内部分土体由非饱和状态向饱和状态转变；饱和区内考虑应力耦合计算值低于非耦合值，非饱和区内影响不明显，提高蓄水速度，应力对流速变化影响显著增大，自由面出现明显峰值。

图7为坝体内不同点的渗透流速随时间变化曲线。心墙上游坝壳料A点，渗透速度随着蓄水速度增大而增大，蓄水前期水流前锋未到达A点时接近于0，随后陡增至峰值后逐渐减小并趋于平缓，这是因为上游坝壳料的渗透系数较大，渗流阻力较小，因而渗透流速滞后不明顯。心墙内坝轴线B点，渗透流速随蓄水速度增大而减小，B点水流滞后于A点，蓄水初期渗透流速平缓随后逐步增大，水位上升越快增幅越大，这是因为心墙内渗透系数很小，渗流阻隔较大，水位上升形成稳定渗流的时间要很长；考虑应力耦合计算后，A、B两点渗透流速数值上小于非耦合值，流速变化相对于非耦合有一定的滞后，且由于心墙料较坝壳料软易压缩变形，应力作用使心墙内土料压实渗透性变小，因此心墙内渗透流速相对坝壳料而言，非耦合与耦合值相差明显。

3.3 蓄水速度对水力梯度的影响

蓄水初期心墙内水力梯度直接影响坝体渗流稳定，实际水库蓄水和水流入渗是需要很长时间的，心墙上游面很容易产生过大的水力梯度。因此，有必要研究心墙内蓄水速度对水力梯度的影响规律，以便为土石坝蓄水速度提供参考。

表2为心墙水力梯度成果表。最大水力梯度为6.57发生在蓄水速度2.0 m/d耦合工况下，出逸区最大水力梯度为1.57发生在蓄水速度0.5 m/d非耦合工况下，蓄水速度较慢时，应力对水力坡降影响不明显。图8为不同蓄水速度下库水位上升至正常[CM（22]蓄水位146.0 m时心墙内水力梯度分布图。这表明，库水位上升较慢时，心墙内水力梯度分布均匀，最大水力坡降分布于心墙下游区，因此出逸区是影响渗透稳定的关键区域，碎石区过渡层的设计是大坝渗透稳定的保障；库水位上升较快时，渗流区域集中在心墙上游面较小范围内，渗透路径短，因而心墙上游存在较大和集中分布的水力梯度；考虑应力耦合影响后，水力梯度数值上较非耦合大，耦合作用使得水力梯度等势线分布有向心墙上游偏移的趋势，水力梯度愈加集中分布于过渡层与心墙料结合区范围，而局部过大水力梯度也是引起心墙水力劈裂的原因之一[20]。因此，提高蓄水速度对坝体局部渗透稳定不利，考虑应力影响对渗透破坏的判断偏于安全。

4 结论

心墙坝初次蓄水速度对土石坝的渗透稳定至关重要，结合实际工程通过非线性流-固耦合方法，对土石坝渗流性态的研究表明：

（1）提高蓄水速度，水流入渗滞后致使坝体内饱和区域变小，心墙内渗透流速减小并局部存在较大的水力梯度。孔隙水压力有所减小，表现突变并集中分布，对坝体不利。

（2）考虑应力场影响后，计算所得饱和区内渗透流速低于非耦合值，非饱和区内影响不明显，流速变化相对非耦合有一定的滞后，水力梯度等势线分布向心墙上游偏移且数值上高于非耦合值，心墙内孔隙水压力集中分布愈明显，计算结果偏于安全。

（3）水库快速蓄水时，应力对各水力要素影响显著增大，在分析土石坝蓄水速度影响的非稳定渗流场时，有必要考虑应力-渗流的耦合影响，确保大坝的安全稳定运行，并严格控制初次蓄水速度。

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