沥青混凝土心墙石渣坝渗流稳定分析

陈洪军

沥青混凝土心墙石渣坝渗流稳定分析

陈洪军

（山东省临沂市河东区相公街道水利站，山东 临沂 276000）

渗流是产生大坝破坏的主要原因之一，渗流问题对大坝库区人民的生命、财产带来了极大的安全隐患。文章在理论分析的基础上，利用AutoBank有限元技术，对大坝渗流稳定性进行计算分析，运用该软件的全自动网络划分功能，通过迭代法计算得到自由水面的位置，并且计算出各种工况下的安全系数，计算结果对大坝渗流稳定性评价具有一定的参考性。

渗流；AutoBank；安全系数；稳定性

为了满足国家经济建设需要，促进工业、农业的发展，解决水资源分布不均等问题，我国亟需建设大批的水利水电工程。土石坝作为一种挡水建筑物，由于具有取材方便，设计简单，施工方便，施工造价低，对地基要求低，选址方便等诸多优点，受到了当时社会的青睐，被大量的建设并投入使用。然而，由于当时施工和管理技术水平有限，目前的大坝质量上存在各种缺陷，继而也引发了各种大坝失事事故。据资料显示，渗流是导致国内外大坝的破坏主要因素之一。因此，深入探究大坝的渗流稳定性问题对大坝的安全具有重大意义。吕远坤基于势流理论中的柯西-黎曼方程，建立了大坝流固耦合模型，利用多种方法计算水库大坝渗流稳定性安全系数，对其进行渗流稳定性分析，并提出了套孔冲抓回填式防渗墙、深层搅拌防渗墙等加固方案的原理及使用条件［1］；何永红等在分析砂卵石的渗透变形的形成条件基础上，对渗流变形的形式进行了简要评价，并提出了渗流变形临界坡降的计算方法［2］。葛建阐述了堤防、水工建筑物渗透变形的类型、成因、规律，对渗透稳定性问题进行了分析研究［3］。侯俊平等利用有限元软件对大坝渗流稳定性进行了分析，同时通过对大坝安全监测资料分析，对比二者计算成果，证明有限元计算渗流稳定性是可行的［4］。张我华根据机理模型从影响堤防和土石坝管涌发生的诸多复杂因素中选出对管涌发生影响显著的几种影响因数作为系统输入来求解渗流稳定性问题［5］。顾冲时等考虑大坝渗流具有滞后效应，提出用有效上游水深进行大坝渗流计算，经原来为模拟滞后效应的非稳定渗流计算问题转化为稳定渗流的求解问题，简化了计算，能够较好的反映大坝基流变化规律［6］。朱伟结合某工程问题，应用有限元饱和-非饱和渗流解析，对地基渗透破坏发生机制及其影响因素做了分析和讨论［7］。李铎等应用三维地下水渗流数值模拟计算坝基渗漏量和分析渗流稳定，较好的解决了周边与地面边界的不规则问题和垂向上地层的非均质问题，提高了计算精度［8］。

鉴于有限元软件的高效性、可靠性，本文采用专门针对渗流问题而开发的AutoBank软件进行渗流稳定性分析。该软件可对土坝、堤防、涵洞、大坝等水工建筑物渗流稳定进行详细分析，可以很好的满足设计对二维渗流场有限元计算的需要，极大的提高了设计人员的工作效率。

1 渗流计算

1.1 理论模型

在土力学中，假定水和土不可压缩，土的体积变化是孔隙被压缩导致。水在土体中的运动符合层流运动规律，即满足达西运动规律，由于土体结构、密度等不同，同时土体是一种非均质的各向异性的介质，导致水平渗透系数和竖向渗透系数不相等，从而使水体在土中运动表现出水平和竖直方向相区别的二向运动，其基本方程［9-10］为：

式中，h0—边界水头；n—边界外法线方向；z—浸润线上各点的几何纵坐标值。

1.2 工程概况

某水库总库容153.5万 m3，正常库容124.67万m3，死库容 9.34万 m3， 调节库容115.33万m3，库容系数0.677，为多年调节水库；工程挡水建筑物主坝采用沥青混凝土心墙石渣坝，坝顶高程347.80m，防浪墙顶高程349.00m，坝顶宽8m，最大坝高34.50m，坝顶长度170.71m；副坝采用土工膜防渗土石坝，坝顶高程348.00m，坝顶宽8m，最大坝高4.05m，坝顶长度51.68m。

1.3 计算资料

根据地质勘查资料显示，该主坝的地基岩性至上而下依次为砂岩、泥岩各层的渗透系数不同，所以在计算时选取最大剖面作为渗流计算的典型剖面，在同一层面计算中近似认为渗透系数水平和竖向方向相等。由于土层的分布情况基本为成层分布，计算时对结构做适当的简化，按照成层建模，定义材料属性时假设各层土体水平向同性，各个参数根据具体情况做相应的调整。

表1 主坝渗流计算渗透系数参数

1.4 计算工况

计算工况有六种：（1）上游正常蓄水位与下游相应的最低水位；（2）上游设计洪水位与下游相应的水位；（3）上游校核洪水位与下游相应的水位；（4）库水位从正常蓄水位降落至死水位时上游坝坡稳定最不利情况；（5）库水位从设计洪水位降落至死水位时上游坝坡稳定最不利情况；（6）库水位从校核洪水位降落至死水位时上游坝坡稳定最不利情况。

1.5 计算结果

渗流计算成果图详见图1～图6。

图1 正常水位稳定渗流计算成果图

图2 设计水位稳定渗流计算成果图

图3 校核水位稳定渗流计算成果图

图4 正常水位降落至死水位渗流计算成果图

图5 设计水位降落至死水位渗流计算成果图

图6 校核水位降落至死水位渗流计算成果图

表2 主坝渗流计算成果表

计算结果表明：（1）主坝坝体及坝基渗流量非常小，蓄水效果较好；（2）坝体内最大水力坡降最大值为49.4，位于沥青混凝土心墙内部，而沥青混凝土心墙抗渗透变形能力强，不会发生渗透破坏；（3）其余分区水力坡降较小，且不同材料接触面均设有反滤层，不会发生渗透破坏；（4）坝基残坡积土最大渗透坡降在各工况下均大于残坡积土允许渗透坡降，不满足规范要求，存在发生坝基渗透变形失稳的不利条件；（5）浸润线溢出点位于坝脚，溢出点合理。

2 坝坡稳定计算

2.1 计算方法及说明

计算程序采用黄河勘测规划设计有限公司和河海大学工程力学研究所共同开发编制的土石坝边坡稳定分析系统。在计算中用该程序的摩根斯顿法分别采用坝料线性指标与非线性指标，对坝体上、下游坡进行分析。非线性指标根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）中8.3.3，考虑粗粒料抗剪强度指标随小主应力增大而减小的对数公式，其表达式为：

式中，φ—土体滑动面的摩擦角；φ0—一个大气压下的摩擦角；Δφ—σ3增加一个对数周期下φ的减小数值；σ3—滑动面上的小主应力；Pa—大气压力。

2.2 计算基本资料

主坝坝体土石料物理力学指标，其指标见表3。

2.3 计算工况

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001），并结合本工程的实际情况，计算工况主要考虑三种，第一施工期的上、下游坝坡；第二稳定渗流期的上、下游坝坡；第三水库水位降落期的上游坝坡。

表3 主坝坝体填筑区物理力学参数表

2.4 计算成果

稳定性计算成果图详见图7～图12。

图7 正常水位（上、下游）稳定计算图

图8 设计水位（上、下游）稳定计算图

图9 常水位降至死水位稳定计算图

图10 设计水位降至死水位稳定计算

图11 校核水位（上、下游）稳定计算图

图12 施工期水位（上、下游）稳定计算图

经计算，坝坡稳定计算成果见表4。

表4 坝坡稳定计算成果表

由此可知，在正常运用工况的正常蓄水情况、正常至死水位降落期以及设计至死水位降落期最小抗滑安全系数均小于规范规定的最小抗滑稳定安全系数，坝坡稳定不满足要求；在非正常运用工况的施工期、校核洪水情以及校核至死水位降落期最小抗滑安全系数同样不满足要求。综上所述，坝坡稳定不满足要求，需要对大坝进行整治，提高大坝的安全系数，保证大坝安全、高效地运行。

3 结语

本文通过AutoBank软件较好地模拟了大坝的断面，对大坝渗流稳定性进行了计算，得到了可靠地计算结果，有利于指导维修加固工程以及大坝的安全评估。该软件操作简单、可视化强，为水利水电工程技术人员计算渗流稳定问题提供了极大的便利。本文得到的主要结果如下。一是各种计算工况下，浸润线溢出点均位于坡脚，溢出点合理；二是坝基残坡积土最大渗透坡降在各工况下均大于残坡积土允许渗透坡降，不满足规范要求，存在发生坝基渗透变形失稳的不利条件，需要对大坝进行除险加固处理，提高坝体防渗能力；三是部分工况下的最小抗滑稳定安全系数小于规范规定的最小抗滑稳定安全系数，坝坡稳定不满足要求，需进行坝体整治，提高大坝的稳定性。

［1］吕远坤.水库大坝渗流稳定分析及加固设计［J］.水利规划与设计，2015（12）：99-100.

［2］何永红，王建明，李粉灵.粗粒土渗透变形机制浅析［J］.西北水电，2002（02）：44-46.

［3］葛建.堤坝渗透变形及稳定性分析［J］.水科学与工程技术，2005（06）： 48-50.

［4］侯俊平，郭炜.有限元计算方法在大坝渗流分析中的应用［J］.武汉大学学报工学版，2005，38（05）：63-66.

［5］张我华，余功栓，蔡袁强.堤与坝管涌发生的机理及人工智能预测与评定［J］.浙江大学学报工学版，2004，38（07）：902-908.

［6］顾冲时，胡灵芝，张乾飞.大坝渗流基流的分析模型研究［J］.岩土力学，2005，26（07）：1033-1037.

［7］朱伟，山村和也.堤防地基渗透破坏机制及其治理［J］.水利水运工程学报，1999（04）：338-347.

［8］李铎，白云，魏爱华.基于三维渗流模拟的坝基渗漏和渗透稳定分析—以哇沿水库为例［J］.水文，2016，36（05）：46-49.

［9］杨学倩，寇生岳，张宝慧.AutoBank在土石坝渗流稳定计算中的应用［J］.内蒙古科技与经济，2015（17）：70-71.

［10］杜易杰，张丹汝，李龙.基于AutoBank软件对堤防渗流稳定的计算应用［J］.水利科技与经济，2014（12）：155-157.

TV223.4

A

1008-1305（2017）05-0075-05

10.3969/j.issn.1008-1305.2017.05.025

2017-05-23

陈洪军（1969年—），男，工程师。