均质土石坝放水涵洞渗流与稳定分析

张立新，韩仲凯，杨令强

（1.山东省水利科学研究院、山东水利岩土工程公司，山东 济南 250014；2.济南大学土木建筑学院，山东 济南 250022）

均质土石坝放水涵洞渗流与稳定分析

张立新1，韩仲凯1，杨令强2

（1.山东省水利科学研究院、山东水利岩土工程公司，山东 济南 250014；2.济南大学土木建筑学院，山东 济南 250022）

在水库的除险加固中，越来越多采用后置闸门控制，存在放水涵洞可能在不同部位发生破坏，形成水压力较高的渗水源点。这些渗水源点将不同程度的抬高坝体的浸润线，对土石坝的渗漏量和坝坡的稳定产生不利影响。考虑到放水涵洞破坏点的随机性，本文使用有限元软件对放水涵洞不同位置破坏的情况建模分析，研究放水涵洞破坏对均质土石坝渗流与稳定的影响。

均质土石坝；放水涵洞；渗流；稳定

采用放水涵洞后置闸门控制的土石坝，具有造价低、结构简单、施工管理方便等优点，但是从工程结构合理性方面分析，坝后闸门控制方式也存在着一些问题。主要表现在放水涵洞的运行状态的改变，放水涵洞由长期不受水压力状态变为长期有压状态，压力水头与库水位相等。在长期的水压力作用下，涵管结构的薄弱处容易发生疲劳破坏，加之闸门在启闭的条件下会产生水击，容易造成涵管的破裂。放水涵洞某一部位破坏，在设计水位的压力下，该部位将向坝体渗水，和坝体正常渗流所产生的渗流场叠加，对土石坝的渗漏量和坝坡的稳定产生不利影响。本文利用有限元软件Seep3D，模拟放水涵洞在不同位置发生破坏的情况，分析放水涵洞破坏点的位置对土石坝的渗流和稳定的影响。

1 工程实例

某水库控制流域面积13km2，总库容368万m3，水库于1957年5月建成，主坝为均质土坝，全长239.0 m，坝顶宽5.0 m，坝顶高程为79.5 m，最大坝高 25.1 m。大坝上游坝坡为 1∶3；下游坝坡为 1∶2.5。筑坝材料为粉质壤土，渗透系数为6.04×10-6cm/s，坝基为不透水岩基。水库上游正常蓄水位76.75 m，下游无水。下游坡脚设排水棱体。放水洞位于土石坝底部，采用坝后闸门控制，断面结构示意图见图1。

由于使用年限较长，放水涵洞内混凝土涵管出现裂缝，裂缝向坝体渗水严重，与土石坝正常渗流场叠加，对土石坝的渗流和稳定性均产生不利影响。

图1 土石坝放水洞断面结构示意图

2 渗流模型的建立

2.1 有限元模型的建立

Seep3D是一款针对真实三维渗流问题开发的一款有限元软件。使用Seep3D可以快速建立模型，对模型的材料属性、边界条件进行定义，然后进行计算求解，在三维界面就可以查看等值面和流线等结果。对模型关键部位进行剖分，利用专业的数据处理工具可以对得到的结果进行快速而精确的分析。

由于放水涵洞混凝土涵管的破坏位置是随机的，本文从放水洞入水口开始，每隔12 m假设一个与坝轴线方向平行的长1 m、宽3 cm的破坏点，共假设11个破坏点，对这11种工况下土石坝的渗流与稳定进行分析，与放水洞没有破坏的情况进行比较，分析放水涵洞不同的破坏点对土石坝渗流和稳定的影响。

为方便建模，缩短计算时间，在不影响模拟精度的基础上，对模型进行适当简化：

1）忽略下游反滤层对渗流的影响；

2）忽略上下游护坡对渗流的影响；

3）实际坝长239.0 m，取放水洞两侧各18.65 m建立模型。

土石坝模型典型三维网格剖分见图2。模型采用八节点六面体单元和六节点三棱柱单元。

图2 土石坝模型典型三维网格剖分

2.2 坝体材料参数选定

坝体渗流参数主要包括容重、渗透系数、抗剪强度等物理和力学指标。本文参数的选取是在工程地质勘察和土工试验的基础上慎重选取的，参数如表1所示。

表1 材料物理力学参数表

3 渗流稳定分析

3.1 临界渗透坡降的计算

进行渗流稳定分析，首先应该通过已有的数据得出坝体允许渗透坡降的值。当渗透力能够克服土颗粒间的黏聚力和内摩擦力，使土颗粒进入悬浮状态时的渗透比降称为临界渗透坡降。

1）按照达西定律计算渗透坡降J：

式中：J为水头坡降；ΔH为水头差；L为渗透路径长度。

2）临界渗透坡降按下式计算：

式中：Ja为临界渗透坡降；rs为土体重度；r0为水重度；n为土体孔隙率。

3.2 渗流计算

经计算，发生流土的临界渗透坡降为0.783。按照式（1）、（2）渗透坡降计算结果见表 2。

表2 渗流计算结果

由表2通过差值可得，破坏点到放水洞入水口的距离小于76.08 m时，坝体的渗透坡降小于临界渗透坡降，大坝不会发生渗透变形破坏，土石坝是稳定的。破坏点距离入水口距离大于76.08时，坝体渗透坡降大于临界渗透坡降，土石坝有可能发生渗透破坏。

随着放水涵洞破坏点距离入水口距离的增加，土石坝模型的渗流量由0.701 m3/d增加到1.434 m3/d，渗流量明显增多。

4 坝坡抗滑稳定分析

土石坝坝坡抗滑计算应采用刚体极限平衡法。对于均质坝，《碾压式土石坝设计规范》推荐采用记及条间作用力的简化毕肖普法。

考虑到放水涵洞破坏产生的渗流场与正常渗流场叠加主要抬高下游边坡浸润线，对下游坝坡稳定性产生不利影响。本文使用岩土工程分析软件GeoStudio对土石坝下游边坡进行抗滑稳定性计算，下游坝坡的安全系数计算见表3。

对比表3不同工况下土坝最小安全系数：

1）破坏点距放水涵洞入水口≦79.02 m时，放水涵洞破坏对坝坡抗滑稳定几乎没有影响。

2）破坏点距放水洞入水口≥91.02 m时，随着距离的增加，放水洞破坏明显抬高坝体浸润线，对土坝坝坡整体稳定的不利影响逐渐加大。

表3 坝坡稳定计算成果

3）破坏点距放水洞入水口≥115.02 m时，浸润线抬高影响的坝坡土体体积变小，土坝坝坡整体稳定的最小安全系数有一定程度的增大。

根据 《水利水电工程等级划分及洪水标准》[SL252-2000]，水库总库容 368万 m3，工程规模为小（Ⅰ）型，主要建筑物等级为4级。《碾压式土石坝设计规范》[SL274-2001]规定非常运用条件Ⅰ类坝坡抗滑稳定最小安全系数为1.15。土石坝最危险滑弧安全系数为1.346，不会发生坝坡稳定破坏。

5 结语

本文利用有限元软件Seep3D对12种工况下的均质土石坝进行了渗流和稳定分析。结果表明，放水涵洞的破坏对该大坝产生不利影响：放水涵洞破坏一方面抬高坝体浸润线，降低下游坝坡的抗滑稳定安全系数；另一方面坝体内部最大渗透坡降有可能超过临界渗透坡降，土石坝有发生渗透变形破坏的可能。为了确保水库大坝的安全运行，在土石坝的运行过程中，应对大坝进行监测、分析，一旦发现放水涵洞破坏，对其进行及时的加固修理。

[1] 陈建设．小型水库除险加固中放水涵洞改造与应急放水结合的探讨[J].中国西部科技，2011，10(35)： 9-12.

[2] 谢国强．水库土坝坝内输水涵洞的裂缝处理分析[J].黑龙江水利科技，2014，2： 132-134.

[3] 王荣荣，刘伟，孙彬彬．小型水库坝内输水涵洞漏水的处理探讨[J].中国水运，2012，11： 158-159.

TV641

B

1009-6159（2017）-10-0030-03

山东省国家自然科学基金（编号ZR2012EEM025）

（责任编辑 迟明春）

张立新（1966—），男，高级工程师