土石坝坝体排水方式的分析与比较

孙鹏明， 叶 宏，于建忠，王 飞，汪 科

(1.江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司，江苏 苏州 215128；2. 河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098) ；3.泰州市姜堰区梁徐街道水利管理服务站，江苏 泰州 225526；4.江苏恪同工程咨询有限公司，江苏 徐州 221000)

土石坝主要由坝址附近的土石料填筑压实而成，而土石料为散粒体结构，压实后其颗粒间仍存在着大量的孔隙，具有一定的透水性。为及时排出坝体内土石料颗粒间的孔隙水，降低坝体浸润线，防止发生渗透破坏和坝坡失稳滑动，需设置坝体排水[1- 4]。常见的坝体排水形式主要有棱体排水、竖式排水、水平排水、贴坡式排水和综合式排水等[5]。为精确分析不同排水方式间的差异，本文选取某均质土坝典型断面，采用有限元仿真计算分析方法，对棱体排水、竖式排水和贴坡式排水三种情况下的坝体二维渗流和坝坡稳定计算进行分析，提出不同情况下的优选方案，为土石坝排水设计比选提供参考。

1 土石坝常见排水体特点

土石坝常见的坝体排水方式有以下几种，其各有特点[1- 4]。

棱体排水，又称滤水坝址，是在下游坡脚紧贴坝坡用块石堆筑而成的排水设施。可降低坝体浸润线，防止坝坡冻胀破坏和渗透变形、保护坝脚免受尾水淘刷，且对坝坡有一定支撑作用。但石料用量较大，费用相对较高，排水体与坝体的施工存在一定干扰。

竖式排水，又称上昂式排水或烟囱式排水，一般位于坝体中央或偏下游处，常与铺设在坝底的水平排水设施结合形成坝体排水系统。该排水能有效地降低坝体浸润线，一般用料较排水棱体经济。对于大部分为粘性土或下游部位土料的不均匀性为水平成层时，更能有效地降低坝体浸润线，并可在施工期间加速坝体土料固结。但排水体施工相对复杂，检查、维修不便。

褥垫排水，从下游坝趾开始，成片连续沿坝体与坝基接触面水平伸入坝体的一种平铺式排水。这种排水型式利于坝基排水，能显著降低坝体浸润线。但对坝基的不均匀沉降适应性较差，排水层易断裂，检查、维修困难。一般适用于下游水位很低且需要大幅降低浸润线的情况。

贴坡排水一般设置在下游坝坡表面，具有构造简单、材料省、造价低、维修易的优点。但不能降低浸润线，且易受冰冻而失效。常用于坝体设有防渗墙或中小型工程下游无水的均质坝或浸润线较低的中等高度坝。

综合排水，为充分发挥各种型式排水的优点，根据工程特点将贴坡排水、褥垫排水、棱体排水、竖向排水中的两种或多种组合而成的排水设施。

2 土石坝渗流和稳定性分析理论及方法

2.1 土石坝二维渗流基本方程

土石坝渗流计算是在已知定解条件下求解渗流基本方程，以求得渗流场内的浸润线、渗流量、水力坡降等水力要素，以供在土石坝设计以及运行管理中有效地控制渗流[6- 8]。

不可压缩流体在刚性介质中的二维稳定渗流基本方程为：

(1)

式中，h—水头函数；kx、ky—x、y方向的渗透系数。

当考虑土和水的压缩性时，土石坝二维非稳定渗流基本方程为：

(2)

式中，Ss—贮水率。

上述微分方程的定解条件为：

初始条件

h|t=0=h0(x，y，t)

(3)

边界条件

水头边界：

h|Γ1=f1(x，y，t)

(4)

流量边界：

(5)

式中，h0(x，y，t)—土石坝二维域内各点水头值；Γ1、Γ2—已知水头值和流量值的边界曲面；kn—曲面Γ2的法向渗透系数；f1(x，y，t)—边界Γ1上的已知水头值；f2(x，y，t)—边界Γ2上的已知流量值。

2.2 土石坝边坡稳定分析方法

DL/T5395—2007《碾压式土石坝设计规范》[5]指出，坝坡抗滑稳定计算应采用刚体极限平衡法，其方法是将边坡土体划分为若干小的土条，根据每个土条的平衡条件推导整个边坡的稳定性。根据不同的使用条件，主要有瑞典条分法、简化Bishop法、Janbu法、Morgenstern-Price法等。其中，简化Bishop法考虑了土条间水平力的作用，建立了土条竖向力平衡和整体力矩平衡，计算结果能够满足工程计算精度要求[9- 11]。因此，选择简化Bishop法作为土石坝边坡稳定计算方法。

简化Bishop法基本公式为：

(6)

(7)

3 实例分析

3.1 工程概况

某均质土坝为Ⅲ等3级建筑物，坝顶高程为1068.5m，坝顶宽8.0m，坝基置于弱风化岩体上，坝基建基面高程为1029.0m，右岸侧抬高至1035.0m，最大坝高为39.5m，总长度为515.0m。坝体上游坝坡自上而下坡比分别为1∶3.0、1∶3.5，下游坝坡自上而下坡比分别为1∶2.75、1∶3.0。上、下游坝坡在高程1059.0m处分别设一级宽2.0m和3.0m的马道。

为对比分析棱体排水、竖式排水和贴坡排水三种方案下坝体渗流特性和坝坡稳定，在工程基础上分别设置三种排水设施，其中，棱体排水设置于下游坝坡坡脚处，排水体顶高程为1045.0m，顶部宽度为3.5m，上下游坡比分别为1∶1和1∶2；竖式排水设置于下游坝坡坡顶处，宽度为1.0m，底部设0.8m厚水平排水将渗水排至下游；贴坡排水沿下游坝坡设置，顶部高程为1045.0m。

3.2 有限元分析模型

由于大坝坝基全部清除基岩强风化层及河床覆盖层，将坝基置于相对较完整的弱风化岩体上部，坝基岩体呈水平层状结构。因此，均质土坝的渗流计算和稳定分析选取最大剖面即标准断面作为计算的典型剖面。

根据三种不同的排水方案，分别建立了对应的二维有限元模型，如图1所示，图中坐标为自定义坐标系，其中X轴自上游指向下游，Y轴沿高程方向。在本次计算分析中，模型上、下游长度取约2倍的坝高；基础深度范围从建基面向下取1倍坝高。模型包括了可能影响计算域渗流场的主要边界范围，模拟了均质土坝段坝体、坝基、排水和帷幕等。模型边界条件设置如下：基础底部和模型上下游边界视为不透水边界；水位面以下的河床均视为已知水头边界；位于河床以上地表，均按可能逸出面处理，但实际逸出面通过计算分析，经迭代确定。

表1 模型材料分区参数统计表

棱体排水、竖式排水、贴坡排水对应模型离散后的有限元计算网格分别有节点6250、6296、6234个，单元分别有6073、6114、6050个。

图1 均质土坝二维有限元网格图

3.3 模型参数及计算工况

坝体、坝基以及各分区材料参数见表1。

结合水库特征水位和运行情况，同时考虑水库运行中可能出现的最不利水位组合情况，选取以下3种水位组合。

工况1：上游设计洪水位1065.0m，下游设计洪水位1042.8m。

工况2：上游校核洪水位1066.3m，下游校核洪水位1043.55m。

工况3：上游设计洪水位1065.0m降至死水位1059.0m，下游设计洪水位1042.8m；上游水位下降过程见表2，渗流分析采用历时30d，使得浸润线下降完成。

表2 库水位下降过程表

3.4 渗流计算结果及分析

3.4.1渗流场计算结果及分析

工况1、2下浸润线与等势线分布图如图2—3所示，水位下降过程中浸润线变化过程如图4所示。

由图3—4可以看出，各工况下坝体浸润线分布符合一般均质土坝规律，其中，棱体排水和竖式排水方案下，断面下游浸润线基本水平，表明两种排水方案对坝体浸润线跌落的作用明显，起到了较好地排渗效果。

对比同一工况中不同排水方式的浸润线和等势线分布情况可知，竖式排水对降低坝体浸润线效果更明显，相应的等势线分布更为密集，表明竖式排水方案下坝体渗流流速相对较大，对坝体的渗透稳定不利；棱体排水和贴坡排水的等势线较稀疏，这两种方案下的渗流流速相对缓慢，更有利于坝体渗透稳定。

图2 正常水位下等势线分布图

图4 水位下降过程中浸润线变化图

3.4.2渗流量计算结果及分析

选取帷幕中线所在截面为计算截面，计算三种排水方式在不同工况下的渗流量，计算结果见表3。由表3可知，竖式排水的渗流量最大，排水效果最佳，棱体排水效果次之，贴坡排水效果相对较差。

表3 截面流量统计表 单位：m3/(d·m-1)

注：工况3的截面流量为水位下降过程中最大截面渗流量。

3.4.3渗透坡降计算结果及分析

三个排水方案在校核水位下的渗透坡降分布云图如图5所示，其余工况下渗透坡降分布情况类似。

由图5可以看出，三个排水方案下，渗透坡降最大值均位于混凝土帷幕处，其中，竖式排水的最大渗透坡降在1.0左右，棱体排水和贴坡排水的最大渗透坡降为0.7左右，表明帷幕的截渗效果明显；竖式排水的上游坝体渗透坡降相对较大，数值在0.3～0.7之间，这是由于竖式排水方案的渗流量相对较大引起的；棱体排水和贴坡排水方案下坝体内部渗透坡降相对较小，数值在0.2～0.4之间，均小于允许渗透坡降，不会发生管涌流土等渗透破坏。但是，在竖式排水方案中，竖直排水体附近的渗透坡降较大，这将对排水体的反滤措施提出较高要求。

图5 校核水位下渗透坡降分布云图

3.5 坝坡稳定性计算结果及分析

水位下降过程中最小安全系数过程线如图6所示；水位下降过程中上游坝坡最小安全系数坝坡滑动面如图7所示；坝坡抗滑稳定安全系数表见表3—4。

由图6可以看出，水位下降前期，上游坝坡最小安全系数随水位下降而急剧减小，水位下降至低水位后，随着渗流场的稳定，上游坝坡最小安全系数缓慢增大。

由表4可知，竖式排水的上游和下游坝坡稳定性最好，棱体排水次之，贴坡排水稳定性较差，但均满足规范要求。

图6 水位下降过程中上游坝坡最小安全系数过程线

图7 水位下降过程中上游坝坡最小安全系数坝坡滑动面

表4 坝坡抗滑稳定安全系数表

注：工况3的安全系数为水位下降过程中的最小安全系数。

3.6 排水方案的进一步分析

前文对于棱体排水、竖式排水和贴坡排水三种排水方案的渗流和坝坡稳定计算成果表明：竖式排水和棱体排水均能起到较好的降低坝体浸润线的效果，坝坡的稳定安全也有保证。但考虑到竖式排水体施工难度大，施工质量不易保证，运行期一旦排水体失效，易造成坝体内部缺陷，且检修、维护非常困难。因此，通过对竖式排水的参数敏感性分析，来确定竖式排水基本有效或部分有效对本工程渗流和坝坡稳定的影响。

3.6.1参数设置

通过提高竖式排水体的渗透系数来考虑竖式排水的失效对本工程渗流和坝坡稳定的影响，工况设置如下：

工况I：竖式排水完全有效，排水区渗透系数取k=6×10-1cm/s。

工况Ⅱ：竖式排水基本有效，排水区渗透系数取k=6×10-3cm/s。

工况Ⅲ：竖式排水部分有效，排水区渗透系数取k=6×10-4cm/s。

工况Ⅳ：竖式排水完全失效，排水区渗透系数取k=1.94×10-5cm/s。

3.6.2成果分析

分别对典型断面工况I- IV进行二维渗流与稳定性分析，各工况下坝坡抗滑稳定安全系数见表5，工况Ⅱ下的浸润线与最危险滑动面如图8所示。

表5 坝坡抗滑稳定安全系数表

注：括号内数值为与竖式排水完全有效相比，不同失效程度对应坝坡抗滑稳定安全系数降低幅度。

图8 工况II渗流与坝坡稳定计算成果

由表5和图8可以看出，随着竖式排水区渗透系数的减小，各工况上下游坝坡的抗滑稳定安全系数逐渐降低；当竖式排水基本有效时，下游坝坡抗滑稳定安全系数均已小于棱体排水方案；当竖式排水部分有效时，除校核洪水工况下的上游坝坡以外，各抗滑稳定安全系数均低于棱体排水方案。经综合考虑[2- 4，12- 14]，从结构长期可靠性和确保施工进度的角度，本工程选用了棱体排水方案。

4 结语

土石坝坝体渗流稳定主要与坝体材料透水性、颗粒组成及排水方式有关，坝坡稳定主要与浸润线及坝体材料抗剪强度有关。本文从土石坝渗流和坝坡稳定等方面对棱体排水、竖式排水、贴坡排水三种常见坝体排水方式进行了分析与比较。三种方案各有利弊，实际工程可以借鉴此计算结果，根据不同情况，选用相应的排水方式，以保证工程安全、经济、可靠。通过计算对比可得出如下结论：

(1)棱体排水和竖式排水均可有效降低坝体浸润线，尤以竖式排水更优。棱体排水和贴坡排水坝体流场的等势线分布较稀疏，渗透坡降相较竖式排水小，对坝体渗透稳定有利，并且对排水体的反滤措施要求相对较低。竖式排水的上、下游坝坡抗滑稳定性最好，棱体排水次之，贴坡排水方案下的上、下游坝坡稳定性相对较差。

(2)竖式排水的坝体浸润线高度和上、下游坝坡稳定性对排水体渗透系数变化较敏感。若出现排水体基本有效或部分有效情况，将引起坝体浸润线较大抬升，下游坝坡抗滑稳定安全系数降低明显。

(3)规范推荐“均质坝和下游坝壳用弱透水材料填筑的土石坝，优先选用竖式排水”[5]，但由于其对施工质量要求较高，运行管理中须配套做好监测以保证排水体有效[15- 16]，常常限制了其应用。因此，竖式排水施工期的质量控制及运行期监测方面的研究也将是今后的探索方向。随着研究的深入及新技术的进步，竖式排水设计将更加完善，排水体施工将更方便、质量更易保证[17- 19]。