前坪水库大坝坝体及坝基渗透稳定研究

王春磊 宁保辉 朱翠民 魏珂 董振锋 皇甫泽华

摘要：前坪水库大坝为黏土心墙砂卵砾石坝，属高坝，心墙土料与坝壳砂卵砾石料、堆石料渗透系数差别较大，坝基存在深厚透水性较强覆盖层，因此研究其坝体、坝基渗透稳定性，分析易发生渗透破坏的部位及其特性十分必要。通过建立渗流场水文地质模型，采用二维数值模拟和三维有限元两种分析方法分别进行了坝体、坝基平面和立体有限元渗流分析，通过定性分析与定量计算进行了坝体、坝基渗透稳定性评价和渗流量估算。计算结果表明：心墙出逸点处、防渗墙伸入心墙部分容易出现渗透破坏，均需采取相应保护措施;三维有限元计算是对二维数值计算的扩展和延伸，对于高坝、边界条件复杂的大坝，更能模拟其实际渗流特性，以便有针对性地提出防治措施。

关键词：心墙;二维数值模拟;三维有限元;渗透稳定性;前坪水库

中图分类号：TV641.1 文献标志码：A

1 工程概况

前坪水库位于淮河流域沙颖河支流北汝河上游、河南省洛阳市汝阳县县城以西9km的前坪村，是以防洪为主，结合供水、灌溉，兼顾发电的大（2）型水库，水库总库容5.84亿m³，控制流域面积1325km²。前坪水库设计洪水标准采用500a一遇，校核洪水标准采用5000a一遇。工程主要建筑物包括主坝、副坝、溢洪道、泄洪洞、输水洞、电站等。主坝为黏土心墙砂卵砾石坝，坝顶高程423.5m，大坝建基面开挖至密实砂卵砾石层，最大坝高90.3m，坝顶宽10m、长818m。大坝与围堰结合布置，上游坝坡坡比为1：2.0～1：2.5，下游坝坡坡比为1：2.0。坝体填筑材料分为坝壳砂卵砾石料、反滤料、心墙黏土料、溢洪道开挖利用料（粗堆石料）、泄洪洞开挖利用料（细堆石料）。黏土心墙顶宽4.0m，顶部高程为422.70m，河床段心墙上下游坡比为1：0.3，岸坡段心墙坡比为1：0.4。心墙上、下游侧分别填筑两层反滤料，总厚度上游侧为4.0m，下游侧为5.0m。下游353.0m高程以下坝壳填筑粗堆石料，粗堆石料与坝基砂卵石层设一层反滤料、一层细堆石过渡料，共厚2.0m。

坝基砂卵石层采用混凝土防渗墙截渗，防渗墙布置于黏土心墙轴线上游5m处，全长665.0m。墙顶高程341.1～363.9m，墙底高程315.8～355.25m，墙深11～29m。防渗墙深度穿过砂砾石层深入至基岩内不小于1m。防渗墙下部布置帷幕灌浆，帷幕顶为防渗墙底，帷幕底端进入相对不透水层5m，相对不透水层以3.0Lu控制，帷幕底高程260.5～365.Om，布置1排帷幕灌浆孔，孔距1.5m。

大坝心墙土料与坝壳砂卵砾石料、堆石料渗透系数差别较大。为研究大坝渗透稳定性，根据大坝材料分区及坝基地质情况，通过建立渗流场水文地质模型，采用二维数值模拟方法和三维有限元分析方法分别进行坝体、坝基平面和三维有限元渗流分析，通过定性分析与定量计算进行坝体、坝基渗透稳定性评价和渗流量估算，提出易发生渗透破坏部位的结构布置措施。

2 二维数值模拟渗流分析

2.1 渗流分析内容

采用数值分析方法进行坝体、坝基平面有限单元法渗流分析[1]。主要包括：①通过坝址区工程地质条件的分析，根据坝体、坝基结构进行工程地质分段，选择典型计算剖面;②建立渗流场水文地质模型，采用二维数值模拟方法，计算不同库水位和防渗措施下坝体、坝基渗流场的水力比降，通过定性分析与定量计算进行坝体、坝基渗透稳定性评价和渗流量估算。

2.2 计算工况

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001），渗流计算包括以下水位组合情况：①上游正常蓄水位（403.00m ）与下游相应的最低水位;②上游设计洪水位（418.36m）与下游相应的水位;③上游校核洪水位（422.41m）与下游相应的水位。

2.3 方法及计算断面

坝体渗透稳定分析采用河海大学工程力学研究所编制的《水工结构有限元分析系统Atubank5》，稳定渗流场分析可输出等势线、渗流量、浸润线、水力坡降、任意点和任意断面的流场数据分布图。

根据坝轴线地形地貌及地层岩性，主坝分为左坝肩段（桩号0+000-0+229）、一级阶地段（桩号0+229-0+545）、主河道段（桩号0+545-0+760）、右坝肩段（桩号0+760-0+808）。

根据地质构造以及岩土体物理力学性质、渗透性等水文地质条件，选取桩号0+172、0+550（最大坝高断面）两个典型断面进行渗流及渗透稳定计算。

2.4 渗流计算参数

坝基、坝体岩土体的渗透系数采用地质勘察报告中提供的有关成果。典型断面各分区材料的渗透系数见表1。

2.5 渗流稳定分析结果及评价

坝体采用黏土心墙坝，坝基采用混凝土防渗墙和帷幕灌浆防渗，其渗流稳定计算结果见表2。

渗透破坏可能发生区域为心墙逸出处，心墙允许水力坡降为0.41。桩号0+172、0+550计算断面正常蓄水位工况下出逸比降为1.16～1.21，需设置反滤层进行保护。主坝心墙下游设置两层反滤料，分别为2m厚粗砂反滤料、3m厚粒径小于50mm反滤料，满足渗透要求。

2.6 坝体、坝基渗流量计算

渗流量计算时，按地形地质条件沿坝轴线方向分为N个水平向区段，区段宽为L_i（i=1，2，…，N），则总渗流量计算公式为 式中：Q_i为第i区段流量;q_i为第i区段单宽流量。

坝址区第四系含水层厚度较大，最大厚度28m。河床和漫灘主要由卵石层组成，根据抽水试验结果，渗透系数为1.74×10^-1～2.89×10^-1cm/s，属强透水性。阶地上分布的壤土、粉质黏土渗透系数为5.25×10^-5cm/s，属弱透水性。右岸坝肩分布的砾岩渗透系数为4.02×10^-4cm/s（透水率为1.2～6.3Lu），属中等一弱透水性。弱风化砾岩透水率一般小于5.0Lu，属弱透水性。坝基透水层主要为卵石层，坝基采用混凝土防渗墙及帷幕灌浆防渗处理后，正常蓄水位工况下坝体及坝基年渗漏量为28.62万m³。根据水文资料，坝址上游多年平均入库径流量为3.32亿m³，坝体及坝基渗漏量占多年平均入库径流量的0.09%，渗漏量相对较小。

3 大坝三维渗流分析

3.1 渗流分析原理

不考虑土体和水体的压缩性，符合达西定律的非均质各向异性土体三维稳定渗流基本方程为[1]式中：h为水头;x、y、z为空间坐标;k_x、k_y、k_z分别为x、y、z轴向的渗透系数。

对于土坝稳定渗流，基本方程的定解条件只有边界条件：式中：f（x，y，z）为给定水头函数;n为渗流边界的外法线;Γ₁为已知水头边界;Γ₂为给定流量边界;q为边界上单位面积的流量。

渗流自由面上的水头压力等于大气压力，该面上任一点水头h等于该点的位置高程。对于不透水层面及渗流自由面，没有流量从此类面流进或流出，故有，kn代表k_x、k_y、k_z。

3.2 三维渗流分析模型及工况

整体模型计算范围为：上游侧边界距坝轴线400m，下游侧边界距坝轴线400m，左右岸距坝肩分别为250、315m。图1为主坝三维网格剖分整体模型，采用8节点等参六面体单元网格对模型进行离散，对主要的渗控措施处（混凝土防渗墙、防渗帷幕等）进行网格加密。经离散后三维有限元模型节点总数为28830个，单元总数为57469个。三维渗流计算参数见表1。三维渗流计算工况：工况一，正常蓄水位工况，上游水位403.00m，下游无水;工况二，设计洪水位工况，上游水位418.36m，下游水位346.00m。

3.3 渗流计算结果分析

图2、图3为各工况下水力比降分布云图，图4、图5为各工况下等压力水头分布云图。

计算结果表明：①两种计算工况下防渗墙伸人心墙部分周边水力比降较大，正常蓄水位工况时水力比降为3.7～11.5，设计洪水工况下为5.1～13.4，黏土心墙内部允许水力比降为5.0～6.0，该部位容易出现渗透破坏。为防止该部位出现裂缝后发生集中渗流，在该心墙范围土料采用高塑性黏土填筑，增加土料出现裂缝后的自愈能力[2]。②两种工况下其余部分心墙内部水力比降均小于3.0，小于心墙土料的允许比降，不会发生渗透破坏。③正常蓄水位工况下心墙出逸比降为0.75，设计洪水位工况下为0.96，心墙允许水力比降为0.41，两种工况出逸比降均大于心墙允许水力比降，需对心墙设置反滤层进行保护。在心墙下游侧布置两层反滤料，第一层为粗砂反滤料（厚2.0m），第二层为粒径小于50mm反滤料（厚3.0m）。④正常蓄水位工况下防渗墙最大水力比降为68.8，设计洪水位工况下防渗墙最大水力比降为84.2，均小于防渗墙允许渗透比降。⑤坝基主要透水层为卵石层和下伏透水岩体，根据计算结果，坝基采用混凝土防渗、帷幕灌浆等截渗措施后，正常蓄水位工况下大坝年渗漏量为39.70万m³。根据水文资料，坝址上游多年平均入库径流量为3.32亿m³，坝体及坝基渗漏量占多年平均入库径流量的0.12%，渗漏量相对较小。

3.4 绕坝渗流计算结果分析

坝址左、右岸坝肩山体相对单薄。左岸上部岩体（高程367.26m以上）渗透率大于5.0Lu。右岸山体陡立，岩體裸露，卸荷裂隙发育。高程365.8～350.4m岩体渗透率大于5.0Lu。受河流侵蚀及人类活动（修路切坡）影响，右岸边坡发育有强卸荷带，坡体呈悬坡，厚度为垂直地表5～10m，深度自边坡坡顶延伸至河谷底，裂隙张开局部达2cm，连通性好，裂隙面普遍锈染，雨季沿裂隙见线状水流。整体上下伏岩体为安山玢岩，主要呈弱风化状态，渗透等级以弱透水为主。

左岸坝肩上部和右岸坝肩下部岩体透水率较大，存在绕渗可能，需采取延长大坝防渗帷幕处理措施。左岸坝头距离溢洪道闸室段较近，左岸防渗帷幕拟从左坝头延长至溢洪道闸室段右侧防渗刺墙处，并同溢洪道控制闸上游帷幕连接。右岸防渗帷幕均拟从右坝头经过副坝延伸至正常蓄水位与3Lu线交汇处，帷幕底以相对不透水线3.0Lu控制。采用1排灌浆孔，孔距1.5m。

大坝左、右坝头压力水头分布云图见图6、图7。

计算结果表明：①大坝左、右岸坝肩采取灌浆帷幕防渗措施后，正常蓄水位工况下左、右岸帷幕灌浆水力比降为3.75～6.25，小于帷幕灌浆允许水力比降。②左、右岸绕坝年渗漏量为3.80万m³，其中左坝肩绕坝年渗漏量为1.60万m³、右坝肩绕坝年渗漏量为2.20万m³，占多年平均入库径流量的0.01%，对水库蓄水基本没有影响。

4 结论

（1）防渗墙伸人心墙部分周边水力比降大于心墙土料允许渗透比降，易发生渗透破坏。在该心墙范围内土料采用高塑性土填筑，增加心墙出现裂缝后的自愈能力[2]。

（2）两种工况下心墙下游出逸比降为0.75～0.96，大于心墙土料允许出逸比降0.41，易发生渗透破坏。心墙下游布置有两层反滤料，其中第一层粗砂反滤料厚2.0m，第二层小于50mm的反滤料厚3.0m，满足渗透稳定要求。

（3）大坝心墙（除防渗墙伸人心墙周边部分）、防渗墙、防渗帷幕渗透比降均小于允许渗透比降，不会发生渗透破坏。

（4）坝址区年渗漏量为43.5万m³，其中坝体及坝基年渗漏量为39.7万m³，左、右岸坝肩绕坝渗流年渗漏量为3.8万m³。坝址区年渗漏量三维计算结果与二维计算结果相比大34%。坝址区年渗漏量占坝址区多年径流量的0.13%，大坝防渗措施的型式及范围是合适的。

（5）本文应用二维和三维有限元方法分析了坝址区渗流场、渗流量、渗透比降，对不同工况的防渗效果进行分析研究。三维有限元计算是对二维数值计算的扩展和延伸，对于高坝、边界条件复杂的大坝，更能模拟其实际渗流特性，提出防渗控制的最优方案，为防渗控制提出针对性、指导性措施[3]。

参考文献：

[1]毛昶熙.渗流计算分析与控制[M].北京：中国水利水电出版社，2003：306-470.

[2]王柏乐.中国当代土石坝工程[M].北京：中国水利水电出版社，2004：11一141.

[3]郭江涛.深厚覆盖层土石坝三维渗透特性分析[D].杨凌：西北农林科技大学，2010：35-40.