基于数值模拟的土石坝渗流计算及防渗措施分析

安 元，唐雷彬

(辽宁省水文局，辽宁 沈阳 110003)

土石坝是应用最为广泛的一种挡水建筑物[1]，其主要建筑材料为土石料，材料便于获得且价格相对较低，对于地基变形适应性较强，可以应用在大多数类型的基础上，施工方法简单，对技术要求较低。据统计，全世界共建有大坝约41413座，其中土石坝约为33958座，占比超过80%，我国现有土石坝约19800座，占全世界土石坝总数的58%[2]，土石坝的应用之广可见一斑。土石坝由于其采用的材料的特性，也存在一些不足之处，例如坝顶不能过流，必须建设溢洪道，坝体对渗流的处理要求较高等，虽然通过采取心墙坝、面板坝等坝体设计方式达到了一定的防渗效果，但仍有管涌、流土、接触冲刷等破坏的发生[3，4]。据统计国内外45%的土石坝失事原因都是渗流破坏[5]，我国对241座曾发生工程安全问题的大型水库进行了统计，其中37%的安全问题都是由于渗流引起的。这主要是由于土石坝是散粒体结构，颗粒间隙较大，在蓄水过程中上下游存在较大的水位差，水通过坝体填筑材料向下游渗透。在浸润面以下的土体为饱和区，受水的浮托力作用，降低了坝体的抗滑稳定性。当渗透坡降达到一定程度时，会造成局部土体难以维持自身稳定，便会出现管涌、流土等局部破坏现象，进而造成土石坝整体的事故。由此可见，渗流问题是土石坝工程中需要考虑的核心问题之一。

土石坝渗流问题的研究自20世纪初期便已开始，早期主要采用水力学法、模拟实验法等近似方法，随着计算机技术的发展，有限元法、有限差分法等一系列方法得到了发展，其中有限元法是目前最为成熟的渗流计算方法。通过有限元法与计算机技术的结合，能够较好的求解土石坝渗流及渗透稳定的问题，获得坝体渗流量、浸润线、各点处水头及渗透坡降等相关数据。本文利用有限元软件，结合土石坝特点，以某一土石坝为对象，用数值模拟的方法对其渗流状态进行研究，并对防渗控制措施进行分析。

1 渗流场的数学模型及求解方法

多孔介质的渗流符合达西定律[6]：

(1)

v=kJ

(2)

式中，Q—渗流量，A—渗流截面面积，J—渗流的水力坡度，v—渗流模型的断面平均流速。

根据达西定律的表述，其方程适用于层流，自然界中大多数渗流为层流，因而可以认为是通用的。

渗流的微分方程：

(3)

式中，kx、ky、kz—沿x、y、z方向上的渗透系数。

对于稳定渗流，需要考虑边界条件：

第一类边界条件为边界上定位势函数或水头的分布，称为水头边界条件：

h(x，y，z，t)|Γ1=f1(x，y，z，t)

(4)

第二类边界条件为在边界上给定位出势函数或水头的法向导数，称为流量边界条件：

(5)

2 计算实例

2.1 模型建立

利用数值模拟软件，通过适当的简化，针对某一水库粘土心墙坝结构断面的渗流情况进行分析。该土石坝坝高90m，坝基主要是部分覆盖层及弱风化、微风化岩体，坝体及坝基沉降变形较小，心墙以下设置固结灌浆及帷幕灌浆，该土石坝的典型剖面图如图1所示。

图1 土石坝典型剖面图

其材料主要参数如表1所示。

表1 材料渗透系数表

该土石坝坝址区地形变化较小，坝体通过适当的简化，对典型剖面建立二维平面有限元模型。该土石坝处地下水位较低，模型左右边界选取为分别在上下游坝址坝踵处向相应方向延伸一倍坝高，模型下边界为基岩一下约一倍坝高，并对局部区域进行网格细化，提高计算精度。

2.2 计算结果及分析

对该土石坝正常蓄水位下的典型断面渗流情况进行有限元分析，其计算结果如图2～5所示，分别为总水头等值线、压力水头等值线、浸润线及渗透流速分布情况。

图2 总水头等值线图

图3 压力水头等值线图

图4 浸润线图

图5 渗透流速分布图

由计算结果可以得知，整个渗流场的水头分布基本合理，水头等值线的计算结果能够较为准确的反映各区域渗流情况及防渗措施的特点，整个典型断面的渗流控制措施得到有效的反映。

通过计算结果可以看出，该土石坝的粘土心墙、固结灌浆和帷幕灌浆基本形成了一个防渗整体，较为有效的阻断了过坝渗流，能够起到应有防渗的效果。由于心墙及灌浆措施的存在，压力水头在相应位置有明显的降低，浸润线得到了有效的控制，渗透流速的分布情况更是较为明显的反映了防渗措施的效果，尤其是在心墙部分，其渗透流速显著的低于周围堆石区，各部分的渗透坡降均满足相应的设计要求。固结灌浆及帷幕灌浆部分的渗透系数与周围基岩基本接近，因而此部分的水头线变化并不明显，这也表明在基岩分布较为明了的情况下，灌浆防渗措施可以将基础中的强透水部分控制截断即可，灌浆措施可以根据基础情况相应的优化。

通过对计算结果的分析，可以看出粘土心墙坝的防渗控制措施仍有进一步优化的空间。一是直心墙坝的上游堆石体存在较高的水头压力及渗透流速，其对心墙的作用较为明显，可以采用斜心墙及平面坝轴线拱型设计的心墙形式，并优化心墙材料，充分考虑防渗性能及抗裂缝冲蚀及裂缝自愈能力，并在心墙下游设计合理的反滤层，可较好的解决心墙的渗流冲蚀及不均匀沉降问题，防止心墙水平裂缝的发生。二是下游排水体的合理设置，排水体能够截断心墙未能截住的渗流，以较小的水头损失排到坝体以外，降低下游溢出点及下游堆石区渗流情况。尤其是近年来采用的反滤排水整体设计，排水体紧靠防渗体布置，充分发挥其排水作用，保证了反滤过渡层后坝体全部处于无渗流区。三是采用上游防渗铺盖等水平防渗措施及高压喷射灌浆和劈裂灌浆等垂直防渗措施延长渗径，利用土工合成材料等新型水工材料等一些列防渗新手段。四是采用面板坝形式，利用上堵下排的水工建筑物渗流控制基本原则，从上游与水接触第一线控制渗流，能够最大限度的减小渗流量。

3 结语

本文通过利用有限元计算方法，结合工程实例求解土石坝的渗流问题，得到了正常蓄水情况下的

渗流结果，能够真实反映渗流实际情况，有限元渗流分析是求解土石坝渗流的有效手段。通过对计算结果的分析能够初步了解防渗措施的控制效果，并结合其实际情况，提出了一系列的防渗排水优化方案。

[1] 郭诚谦, 陈慧远. 土石坝[M]. 北京: 水利电力出版社, 1992．

[2] 刘杰. 土石坝渗流控制理论的发展及实践[J]. 大坝与安全, 1993, 23(01): 23- 26.

[3] Sjodahl P, Dhlin T, Johansson S. Embankment dam seepage evaluation from resistivity monitoring data[J]. Near Surface Geophysics, 2009, 7(5- 6): 463- 474.

[4] 钮新强. 水库病害特点及除险加固技术[J]. 岩土工程学报, 2010, 32(01): 153- 157．

[5] 汝乃华, 牛运光. 大坝事故与安全[M]. 北京: 中国水利电力出版社, 2001．

[6] 刘亚坤. 水力学[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2008．