深厚覆盖层土石坝渗流控制及三维数值分析

刘豪杰， 任 杰， 杨 杰， 程 琳， 张晓飞

(西安理工大学 水利水电学院， 陕西 西安710048)

建在深厚覆盖层上的土石坝，其坝体、坝基以及两岸坝肩的渗流特性和稳定性分析一直是国内外相关学者所研究的工程科学问题。渗流控制方案的合理优化直接关系到水库大坝的正常运行与工程投资。深厚覆盖层是指堆积于河谷之中，厚度大于30m的松散堆积物，其岩层不连续，结构偏松散，且成因类型较复杂，物理力学性质不均匀，工程地质条件差，且透水性强，易造成水库渗漏及坝体破坏[1-4]。我国现在已建水库中土石坝占总数的90%以上，其中由于渗漏而导致坝体失事的占总数29%[2]。因此，对于以土石坝为主要坝型的水利工程，坝体、坝基及两岸坝肩渗漏及渗透稳定问题是研究坝体安全的重要组成部分。

深厚覆盖层土石坝防渗控制的主要措施有水平防渗、垂直防渗和联合防渗等，国内外很多学者针对土石坝的渗控结构优化做了大量的研究[5-7]。沈振中等[2]从防渗措施的角度出发，结合工程实例分析了深厚覆盖层上土石坝的防渗措施及优化方法，给出了防渗建议；任杰等[8-9]建立了三维渗流有限元模型，研究了土坝和右坝肩的绕坝渗流场特性，分析了浸润面、地下水位分布、渗透坡降和渗透稳定性，确定了防渗处理范围，提出了满足要求的优化方案；谢兴华等[10]以防渗墙局部渗透稳定为出发点，进行了深厚覆盖层坝基防渗墙深度研究；吕海东等[11]通过建立三维渗流有限元模型，对左岸坝肩防渗墙延伸深度的方案进行了比较研究，得出随着延伸深度的增加，绕坝渗流流量有所减小，但差异并不显著；耿计计等[12]根据工程实例研究了坝肩防渗墙深度与绕坝渗透特性改善之间的关系。同时还有一些学者考虑了土工膜的缺陷[13]、周边采煤活动[14]、防渗墙深度[15-16]以及无限透水地基上防渗墙深度[17-18]等对土石坝渗流场渗透特性的影响。上述研究均是针对单一防渗措施而进行的渗漏控制优化研究，并未综合考虑坝基及坝肩同时出现渗漏的问题而进行分析。

因此，坝体、坝基以及两岸坝肩的渗流场特性和稳定性分析需要寻求既能考虑多种控制方案又能快速求解的计算方法。COMSOL Multiphysics 软件由于在三维有限元数值模型建立和计算中具有建模快速、后处理功能强大等优势被广泛用于各个行业之中。本文尝试应用COMSOL Multiphysics 对土石坝及其渗控优化进行渗流特性和稳定性分析。基于COMSOL Multiphysics 平台提供的渗流分析模块，结合某水库大坝工程，建立了三维渗流有限元数值模型，分析不同防渗墙厚度、深入坝基及两岸坝肩的深度对坝体、坝基以及两岸坝肩的渗流特性和稳定性进行分析。

1 工程概况

某水库是一座以供水及灌溉供水、抗旱应急等为主的水利枢纽。水库总库容为4.86×106m3，有效库容为2.3×106m3，水库校核洪水位1 209.03 m，设计洪水位1 208.50 m，正常蓄水位1 207.00 m。水库大坝采用均质土坝，坝顶高程1 208.80 m，坝基高程1 193.80 m，最大坝高16.20 m，坝顶长275.11 m，坝顶宽5.00 m。

上游坡比为1∶3，设混凝土护坡；下游坝坡为1∶2.5，在高程1 203.00 m处设置宽1.50 m的马道，下游坝脚设堆石棱体排水。坝基垂直防渗采用塑性混凝土防渗墙，防渗墙深入坝体1 m，深入⑥-2地层3 m。坝基的覆盖深厚层主要地层岩性为：

(1)粗砂、砾卵石层，厚度为5.0～11 m，分布于河床、漫滩及一级阶地上，渗透率k=4.9×10-12m2，为中等透水性。

(2)坝区河谷两岸由细砂夹薄层壤土组成，厚度为15～28 m，渗透系数k=9.08×10-13m2。

(3)坝基下部以长石、石英、云母为主，稍密～中密，厚度大于35 m。其中上部⑥-1层渗透率k=3.42×10-12m2，下部⑥-2层渗透率k=2.86×10-13m2，均为中等透水性。

2 模型建立

2.1 数值模拟

计算坐标原点取大地坐标x=36591113.38 m，y=4180365.17 m。x轴与坝轴线平行，右岸指向为正；y轴垂直坝轴线，指向下游为正；z轴为垂直方向，向上为正。上、下游边界至坝轴线100.00 m。坝左边界至原点69.00 m，坝右边界至原点390.00 m。本模型沿河流方向(x方向)长200.00 m，垂直河流方向(y方向)宽459.00 m。铅直方向取1 193.80 m为基准面，正方向最大高度为45.68 m，负方向最大深度44.32 m。图1为计算模型截取范围及主要剖面位置。

依据建立的地质模型，采用COMSOL Multiphysics 软件对计算模型进行剖分。网格剖分采用软件自带的功能进行，计算模型共剖分1 001 747个域单元，99 224个边界单元。计算模型网格单元剖分如图2所示。

图1计算模型范围和主要剖面位置(单位：m)图2计算模型有限元网格

稳定渗流分析的边界类型有以下3种： (1)已知水头边界包括上游水位、下游水位以下及底高程以上的坝体截取边界；(2)出渗边界为坝体两侧上下游水位以上的截面；(3)不透水边界包括坝体左右两截取边界及模型底面。

2.2 计算参数

根据水库的工程地质和水文地质资料，假定材料各向同性，各区允许渗透比降和渗透率的取值情况如表1所示。

表1 计算模型各分区的材料参数

2.3 计算方案

针对坝基及两岸坝肩的渗漏问题，本文拟定了12个方案进行三维渗流有限元计算分析，方案如表2所示。各个计算方案中坝基与坝体两岸防渗墙连接在一起，构成封闭的防渗体系。正常蓄水位为上游水位1 207.00 m，下游无水；通过改变防渗墙厚度、深入地层⑥-2及两岸坝肩深度，分析坝体、坝基以及两岸坝肩的渗流特性。

表2 稳定渗流分析计算方案 m

3 计算结果分析

3.1 地下水位等值线分布

图3为防渗墙深入两岸坝肩不同深度时地下水位等值线分布图，以左岸坝肩为例进行研究。由图3可知：坝肩防渗墙附近地下水等值线密集分布，且防渗墙内部水头发生骤降，表明防渗墙内部水头损失有较大骤降；随着防渗墙深入两岸坝肩的深度的增加，从50 m增加到80 m，地下水等值线逐渐向防渗墙靠拢，说明防渗墙内部水头损失逐渐加大，且能有效降低墙后地下水位等值线。因此，在坝肩设置防渗墙能有效控制水头损失并能在较大程度上影响地下水位等值线的分布。

以防渗墙深入两岸坝肩深度50 m的情况下，分析防渗墙厚度及深入坝基深度加大的地下水位等值线分布(图4、5)可知：以剖面0+130.00和剖面0-035.00为例，当防渗墙厚度及深入⑥-2地层深度增加时，地下水位等值线均向防渗墙处靠近，但由图4中可以看出，相比增加防渗墙厚度，加大防渗墙深入坝基的深度对地下水位等值线分布的影响更加明显。说明加大防渗墙深入坝基的深度，防渗墙内部的水头损失更大。而图4与图5相比可以看出，改变防渗墙厚度及深入⑥-2地层深度时，坝体最大剖面中的地下水位等值线分布变化相比坝肩剖面中地下水位等值线分布变化更加明显。说明在不改变防渗墙深入两岸坝肩深度的情况下，改变防渗墙厚度与防渗墙深入坝基的深度对于坝肩的地下水位等值线分布影响不大。

图3 Z=0(0+040～0-069)地下水位等值线(单位：m)

图4 剖面0+130.00地下水位等值线(单位：m) 图5 左岸坝肩剖面0-035.00地下水位等值线(单位:m)

表3 各方案浸润线计算结果 m

表3为各个方案中左岸坝肩剖面0-035.00 m的浸润线上游最高点和下游溢出点较正常蓄水位变化的关系表。由表3数据可知，当防渗墙深入左岸坝肩的深度由50 m(方案2)增加到80 m(方案5)时浸润线最低点降低了0.474 m。说明加大防渗墙深入两岸坝肩的深度，能有效降低墙后浸润面高度；在保持防渗墙深入坝肩深度为50 m的情况下，当防渗墙深入⑥-2地层深度由3 m(方案2)到15 m(方案9)时，浸润线最低点降低了0.155 m。说明增加防渗墙深入坝基的深度，能有效降低坝肩内墙后的浸润面高度。当防渗墙厚度由0.6 m(方案2)增加到1.2 m(方案12)时，浸润线最低点降低了0.029 m。说明防渗厚度的增加，虽然也能降低坝肩内墙后的浸润面高度，但降低值较小。

综上所述，增加防渗墙深入坝肩的深度能有效降低坝肩内墙后浸润面的高度；而在保持防渗墙深入坝肩深度为50 m的情况下，相比增大防渗墙的厚度，加大防渗墙深入坝基的深度更能有效降低坝肩内防渗墙墙后浸润面的高度。

3.2 渗透比降分析

由表4可知：随着防渗墙深入两岸坝肩深度的增加(方案1～5)，两岸坝肩的渗透比降值逐渐变小，当防渗墙深入两岸坝肩深度达80 m时，两岸坝肩的渗透比降值达到最小，为0.0208，说明加大防渗墙深入两岸坝肩的深度，能延长渗径，有效降低两岸坝肩渗透比降；而当防渗墙深入⑥-2地层深度增加(方案2和方案6～9)，防渗墙及两岸坝肩的渗透比降均有所增加，但两岸坝肩的渗透比降值变化不大，防渗墙内部渗透比降值由9.51变为11.55，其余特征部位的渗透比降值均逐渐变小。说明增加防渗墙深入坝基的深度能有效降低坝基各地层的渗透比降，同时防渗墙内部的渗透比降有所升高，但对坝肩的渗透比降影响不大；当防渗墙厚度增加(方案2，方案10～12)，防渗墙内部渗透比降逐渐降低，其余各特征部位除⑥-2底层外渗透比降均有所降低，但其渗透比降值变化不大。说明改变防渗墙厚度能有效降低防渗墙内部的渗透比降，但对其他特征部位的渗透比降影响不大；坝体最大渗透比降出现在上游坝坡入渗点附近处，渗透比降为0.485，且不随防渗墙厚度、深入坝基及两岸坝肩深度的增加而发生变化。

各方案中坝体各部位的最大渗透比降均小于允许渗透比降，因此坝体、坝基各分区及两岸坝肩渗透比降均满足渗透稳定性要求。

3.3 渗流量分析

该水库大坝坝址处多年平均径流量为13375.34 m3/d，设计采用大坝坝基及两岸坝肩渗透流量的控制标准为多年平均径流量的6.5%，即869.397 m3/d。为了清楚地表述各计算方案渗流量的变化情况, 并与设计标准比较，将其计算结果绘图，见图6。

由图6可知：除方案1外，其余各方案计算得出的渗透流量均小于设计控制标准；随着防渗墙深入两岸坝肩的深度加大(方案1～5)，总渗透流量由1 050.11 m3/d减小到769.11 m3/d，减小值为281.00 m3/d，并且渗透流量的减少量与防渗墙深入两岸坝肩的深度呈线性变化。说明在坝肩两岸设置防渗墙能有效降低坝肩渗透流量；防渗墙深入⑥-2地层深度增加(方案1，方案6～9)，总渗透流量由835.64 m3/d减小到725.16 m3/d，减小值为109.48 m3/d，且防渗墙深入⑥-2地层深度与渗透流量的减小量呈正相关。说明加大防渗墙深入坝基的深度是控制坝基渗透流量的有效措施；防渗墙厚度增加(方案2，方案10～12)，渗透流量减小量与防渗墙厚度呈正比，但当防渗墙厚度由0.6 m增加到1.2 m时，总渗透流量仅从826.23 m3/d减小到813.46 m3/d，减小值为12.77 m3/d，说明增加防渗墙厚度并不能有效减低坝基渗透流量。

综上所述，在坝基及两岸坝肩设置防渗墙能有效控制渗透流量；当防渗墙厚度增加时，渗透流量虽逐渐变小，但是对渗透流量的影响不大，因此单纯依靠增加防渗墙厚度来控制坝基渗透流量的措施是不可行的；当增加防渗墙深入两岸坝肩的深度时，能有效降低总渗透流量，且增加防渗墙深入两岸坝肩的深度与渗透流量值的减小成正相关；加大防渗墙深入坝基的深度是控制坝基渗透流量的有效措施。

表4 特征部位单元平均渗透比降最大值

图6 各方案渗透流量变化

4 结 论

本文尝试应用COMSOL Multiphysics软件，结合某水库大坝工程，对深厚覆盖层土石坝及其渗漏控制优化进行渗流特性和稳定性分析，得出以下规律和结论：

(1)通过改变防渗墙的厚度、深入坝基及两岸坝肩的深度均能影响地下水等值线的分布；随着防渗墙的厚度、深入坝基及两岸坝肩的深度增加，能使地下水位等值线向防渗墙处靠近，表明防渗墙内部水头损失加大；相比防渗墙的厚度及深入坝基的深度增加，加大防渗墙深入两岸坝肩的深度更能有效降低坝肩渗透比降，同时也能有效降低坝肩墙后的浸润面高度。

(2)通过改变防渗墙厚度、深入地层及两岸坝肩深度，均能有效降低坝基各地层内的渗透比降；加大防渗墙深入两岸坝肩的深度能有效降低坝肩的渗透比降；随着防渗墙厚度的增加，墙内渗透比降值也逐渐降低，而随着防渗墙深入地层的深度增加，防渗墙内部渗透比降值有所增加；各方案中坝体、坝基各分区及防渗墙的渗透比降均能满足允许渗透比降。

(3)从渗透流量计算结果来看，通过改变防渗墙厚度、深入地层及两岸坝肩深度，均能有效降低坝基及两岸坝肩渗透流量，但单纯增加防渗墙厚度对降低坝基渗透流量的影响不大；改变防渗墙深入坝基的深度能有效能降低坝基渗透流量。因此，增加防渗墙深入坝基的深度是控制坝基渗透流量的有效措施；加大防渗墙深入两岸坝肩的深度是解决坝肩绕渗的有效措施，能有效降低两岸的绕渗流量。

参考文献:

[1] 郭江涛, 张爱军. 深厚覆盖层上土石坝的渗流控制方案研究[J].干旱地区农业研究, 2012,30(20):181-187.

[2] 沈振中, 邱莉婷, 周华雷. 深厚覆盖层上土石坝防渗技术研究进展[J].水利水电科技进展,2015,35(5):27-35.

[3] 许 强, 陈 伟，张倬元. 对我国西南地区河谷深厚覆盖层成因机理的新认识[J].地球科学进展,2008,23(5):448-456.

[4] 白 勇, 柴军瑞, 曹镜英, 等. 深厚覆盖层地基渗流场数值分析[J] .岩土力学, 2008,29(S1):90-94.

[5] 王正成, 毛海涛, 姜海波, 等. 基于流固耦合的坝基中弱透水层对渗流的影响分析[J]. 水动力学研究与进展(A辑), 2017,32(3):316-324.

[6] 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(5):46-49+78.

[7] ATHANI S S, SHIVAMANTH, SOLANKI C H, et al. Seepage and stability analyses of earth dam using finite element method[J]. Aquatic Procedia. 2015,4:876-883.

[8] 任 杰, 沈振中, 王 谊, 等. 哈达山水利枢纽右岸三维渗流场特性研究[J].水利水运工程学报,2010(3):89-94.

[9] 任 杰, 沈振中, 王 谊, 等. 哈达山水利枢纽右岸渗流控制优化方案研究[J].水力发电,2010,36(8):28-30+89.

[10] 谢兴华, 王国庆. 深厚覆盖层坝基防渗墙深度研究[J].岩土力学, 2009, 30(9): 2708-2712.

[11] 吕海东, 王瑞骏, 李章浩, 等. 深厚砂层坝肩绕坝渗流规律及防渗方案研究[J].西北农林科技大学学报(自然科学版), 2006, 34(12): 215-220.

[12] 耿计计, 王瑞骏, 赵一新. 土石坝绕坝渗流分析方法及防渗措施研究[J].水资源与水工程学报, 2009, 20(5): 77-81.

[13] 岑威钧, 和浩楠, 李邓军. 土工膜缺陷对土石坝渗流特性的影响及控制措施[J]. 水利水电科技进展, 2017, 37(3): 61-65+71.

[14] 王卓然, 武 雄. 周边采煤活动对岳城水库库区大坝和坝基的渗流影响研究[J].地学前缘,2018,25(1): 276-285.

[15] 温立峰, 范亦农, 柴军瑞，等. 深厚覆盖层地基渗流控制措施效果数值分析[J].水资源与水工程学报, 2014, 25(1): 127-132.

[16] 黄梅琼, 柴军瑞, 白 勇, 等. 深覆盖层地基防渗措施对渗流场影响数值分析[J].长江科学院院报, 2009, 26(10): 126-128.

[17] 毛海涛, 何华祥, 邵东国. 无限深透水坝基上悬挂式防渗墙控渗试验研究[J].水利水运工程学报, 2014(4): 44-51.

[18] 哈丽木热木·阿布都热西提, 侍克斌, 李玉建. 非均质无限深透水地基上土石坝微透水防渗墙的有限元渗流计算[J]. 水资源与水工程学报, 2013, 24 (6): 88-91.