基于COMSOL计算下水库土石坝体渗流特征及防渗墙最优设计研究

宁威锋

(江门市科禹水利规划设计咨询有限公司，广东 江门 529000)

水工结构渗流安全性是许多水利工程师持续专注于研究的重要课题，渗流可靠性对水工结构的长期稳定运营具有重要意义，而仿真计算分析渗流场变化乃是反映渗流可靠性的一个重要手段[1-3]。利用现场全方位监测仪器对水工结构开展实时数据传输反馈，分析相关数据之间联系以及变化特征，及时为水工建筑提供预警修护参考依据[4-6]。当然，也有一些学者利用原型试验，在室内开展水工物理模型试验，分析水工结构破坏过程特征，为水利设计提供重要试验依据支撑[7-9]。借助数值仿真手段，不仅可以对水工结构的渗流场、应力场展开分析，同样可以依据不同设计方案，分别对比各个方案下计算结果，探讨不同方案之间参数变化对水工结构稳定性影响，为选择最优方案提供重要参考价值[10-11]。笔者将采用COMSOL仿真软件，对土石坝渗流场特征以及防渗墙最优设计方案展开计算分析，为工程设计部门加固除险提供一定参考。

1 工程概况

水库乃是粤西地区重要水资源输送调度枢纽，为地区农业用水、工业用水以及部分城乡生活用水提供重要保障，枯水期可提供生活用水量达4000万m3，保障城乡居民缺水率不低于警戒线，常年最低缺水率维持在3%以下。该水库工程采用混合坝体围堰结构，其中土石坝长度约为425.76 m，占坝体总长度75%，坝体高程为54.3 m，水库蓄水期最高水位可达54.8 m，另浇筑有大面积混凝土坝体，两种类型坝体接口处已设置防渗结构系统，该系统采用止水面板与止水材料设置，其中止水面板采用土工布与C25混凝土浇筑形成，个别区域采用固结灌浆的形式加固受拉区，在所有坝体表面均铺设有土工膜防护层，保证土石坝体渗流稳定性。该水库所连接输水渠道总长55 km，渠首采用液压式阀门精确控制开度，保证渠首流量稳定在0.6～0.7 cm3/s，所连接农业灌区输水渠道均采用特种混凝土衬砌结构形式，保证输水效率。现由于该水库建设时间较久，输水效率大大降低，而其中又以坝体中土石坝主体结构为首要安全，其渗流稳定性及混合坝体连接处的防渗系统安全性均是重点监测区域，因而工程设计部门考虑增设防渗墙结构，且防渗墙厚度分别按照对比实验原则，设计分别约为60 cm、80 cm、100 cm、120 cm，其插入基岩层深度分别设定为1 m、2 m、4 m、6 m、8 m、10 m，开展仿真计算分析。

为保证计算准确性，针对该土石坝体研究区段内的地质状态进行钻孔勘察，由此可知，坝体场地表面以第四系堆积土为主，层厚达1.5 m，主要由河流冲刷搬运堆积形成，场地内部分区段可见有沟谷等地质体，发育有较多裂隙，部分强风化岩石碎屑在裂隙中夹杂，形成碎屑体，并跟随沟谷等地质体发生产状等参数的局部变化。从钻取处岩样可知，地层岩体以弱风化花岗岩为主，颗粒粒径最大可达6 mm，受河流地下水冲刷作用，磨圆度较好，室内测试单轴强度可达60 MPa，液体水介质渗透率可达10～19 m2，表明完整性岩体密闭性较好。与基岩层、堆积土层之间相接触的土体材料为砂土、粉砂土、砂砾土等泥盆系发育的混合土体，含水量较低，其中砂土粒径为0.2～4.0 mm，强度相比粉砂土高。砂砾土松散程度较高，透水性较强，并夹有粒径1.6～6.8 mm的碎石，目前是渠首液压式阀门的基础持力层，防渗性较佳。

2 防渗墙渗流基本参数分析

基于渗流理论，结合坝体岩土模型，计算防渗墙渗流场特征。利用COMSOL仿真软件，采用多种单元体建立坝体三维模型，并针对防渗墙结构专门划分出有限元计算网格，整体坝体共有41 251个单元网格，节点数40 528个，相关岩土材料模型的渗透参数以及物理力学参数均采用室内试验结果，其中防渗墙材料渗透系数取值为1.0×10-10m/s。

基于防渗墙不同设计参数工况下仿真计算，获得各工况下有防渗墙结构下坝体区段内渗流场特征，典型计算结果如图1所示，其中图1(a)为无防渗墙结构下坝体内总水头分布状态。经计算后可知，当改变防渗墙深度或宽度参数后，实质上坝体内部孔隙水压力并未有较大变化，各总水头分布基本上与图1(b)中一致，但对比有、无防渗墙结构下，两者具有较大差异：无防渗墙结构下总水头线均集中于坝脚处，即在该区域存在有较大的水力作用，渗透坡度亦会有较大集中，渗漏极有可能在此处发生，且发生渗漏部位乃是坝体下游区域，对水库运营稳定性具有较大考验；而当设置有防渗墙结构后，坝体内总水头线发生较大逆转性变化，总水头等值线集中区域位于防渗墙底部处，即防渗墙较好承担起渗漏止水作用，渗透坡度均集中于此，减弱了大面积渗漏量对坝体的危害。

图1 坝体内总水头分布特征

图2为有、无防渗墙结构下坝体内部孔隙水压力变化特征云图。从图中可看出，在无防渗墙结构条件下，整个坝体内部孔隙水压力分布较为均匀，自顶部至底部，随着水深度增大，孔隙水压力递增，且横贯整个坝体上下游面，最大孔隙水压力可达1000 Pa；而有防渗墙结构坝体中孔隙水压力分布呈现上游面高于下游面，以防渗墙所在部位为转折节点，孔隙水压力降低，分析认为，防渗墙结构材料渗透系数较低，而坝体自身材料堆石料等材料综合渗透系数可达10-3m/s，相比之防渗墙结构增大了7个量级，因而孔隙水在坝体内部的运动会在防渗墙结构部位处产生显著差异性，上、下游面最大孔隙水压力降幅达60%，防渗墙的存在承受了较多孔隙水压力的冲击作用，进而极大削弱了孔隙水压力对下游渗流稳定性影响。

图2 坝体内部孔隙水压力变化特征云图(单位：Pa)

图3为不同深度、厚度防渗墙及无防渗墙条件下坝体浸润线分布特征。从图中各工况下浸润线分布特征可看出，无防渗墙结构条件下浸润线处于较高位置，其所在位置接近坝高2/3，对下游面的安全稳定性具有较大挑战；当设置防渗墙后，不论防渗墙厚度、宽度等设计参数变化，其浸润线均显著比无防渗墙条件下要低，特别是在下游面处最大降低幅度可达83.3%，另外从坝体整体浸润线分布特征可看出，上游面至下游面浸润线为“Z”字形，即防渗墙结构部位处出现有较大的转折点变化，防渗效果良好。对比同一深度不同防渗墙厚度下浸润线分布特征可知，防渗墙厚度与浸润线分布高度为负相关，即厚度愈大，可进一步抑制坝体浸润线的上涨；当处于同一厚度不同深度防渗墙工况下，防渗墙设计深度与浸润线分布特征亦为负相关，防渗墙深度10 m下浸润线分布高度相比深度1 m时降低了52.5%,说明设置防渗墙结构可以起到较好的防渗效果。

图3 坝体浸润线分布特征

图4 防渗墙设计参数影响下渗流特征参数变化

3 防渗墙设计参数优化分析

通过分析得知防渗墙深度、厚度愈大，愈有利于坝体防渗效果，但不可忽视防渗墙设计参数愈大，会导致工程成本也进一步增加，因而在保证防渗最佳效果前提下，使工程成本处于最经济，设计方案才最优。

为对比出最佳设计方案，引入坝基单宽渗流量、防渗墙后作用水头、防渗墙底部渗透坡降、坝脚逸出点渗透坡降四个渗流特征参数，获得防渗墙设计参数影响下渗流特征参数变化规律，如图6所示。无防渗墙结构下坝基单宽渗流量为9.55×10-4m3/s，安全允许值为5.26×10-4m3/s，无防渗墙结构下坝体坝基单宽渗流量过大，超出安全运营区间；结合图4(a)坝基单宽渗流量变化可知，在有防渗墙结构下，当深度为4 m、厚度为80 cm 时，坝基单宽渗流量为3.98×10-4m3/s，相比无防渗墙工况下渗流量降低了58.3%，当处于同一厚度下，深度增大为10 m时，坝基单宽渗流量相比深度4 m时又降低了66.7%，即防渗墙具有显著抑制坝基单宽渗流量发展的效果。当防渗墙在同一深度下，厚度变化对宽渗流量影响较弱，在深度为4 m时，厚度60 cm的坝基单宽渗流量为4.76×10-4m3/s，而相同深度下厚度80 cm、100 cm、120 cm的单宽渗流量相比前者分别降低了16.4%、19.8%、27.5%，表明防渗墙厚度对坝基单宽渗流量影响弱于深度参数值。比较同一厚度下坝基单宽渗流量变化特征可知，随深度增大，单宽渗流量递减，60 cm、80 cm、100 cm、120 cm 四个不同厚度的防渗墙工况下的单宽渗流量安全区间分别对应深度2.0 m、1.0 m、0.9 m、0.6 m，从参数影响性以及工程经济性角度考虑，厚度满足要求，深度可适量增大，即以厚度80 cm、深度2 m为较佳方案。防渗墙设计参数同样的变化影响规律在水头值变化曲线中亦是如此，不同防渗墙厚度下水头变化幅度最大仅为9.7%，而防渗墙深度参数直接作用影响水头变化最大为36.8%，其中厚度80 cm、深度2 m工况下水头值为11.98 m，其相比最大水头降低了20.1%，处于较理想状态。

比较图4(c)与图4(d)中防渗墙底部、坝脚逸出点两个部位的渗透坡降变化特征可知，防渗墙底部渗透坡降随深度增大呈先减后增变化，防渗墙深度控制在8 m内时，墙底部渗透坡降持续减少，且渗透坡降参数逐渐由危险状态进入安全运行区间内，厚度60 cm下，深度0 m时渗透坡降约为58.1，而深度8 m时相比前者降低了76.7%。在深度8 m后，各厚度下防渗墙底部渗透坡降均为上升，且逐渐超过安全允许值，其中厚度60 cm下，深度12 m的渗透坡降相比其最低渗透坡降增大了6.2倍，由此可见，防渗墙深度过大，会造成防渗墙底部渗透坡降急剧性集中，极大影响防渗系统稳定性。当防渗墙深度过大时，会导致防渗墙穿越基岩强风化花岗岩层，到达比较稳定基岩层，此时防渗墙底部渗透通道较小，导致渗流速度急剧膨胀，水头损失也快速变化，进而带来渗透坡降集中，因而防渗墙设计参数中深度值不应过大[12-13]。图4(d)中坝脚逸出点渗透坡降亦是随深度值递减，但以深度2 m前减小幅度为最大，厚度80 cm下，深度2 m坝脚逸出点渗透坡降相比深度0 m时降低了55.2%，而深度再次增加2 m，为4 m时，其渗透坡降相比深度2 m时仅降低了22.4%，深度6 m相比深度4 m时变化幅度仅为19.8%，分析原因认为，防渗墙深度增大，会造成水头径流长度增大，沿程水头损失上涨，进而导致防渗墙体抑制渗透坡降作用逐渐减弱，而坝脚逸出点渗透坡降在深度为2 m时已处于较佳的抑制状态。综合比较四个渗流特征参数来看，防渗墙深度2 m最佳，而防渗墙厚度由于对渗流活跃性影响较弱，选择厚度80 cm对应安全性以及工程经济性均是最合适，因而防渗墙最优设计方案应是深度2 m、厚度80 cm。

4 结 论

(1)分析了有、无防渗墙工况下坝体内渗流场特征，防渗墙具有显著抑制渗透坡降集中、降低渗漏量发生的作用，有、无防渗墙下坝体总水头分别集中在防渗墙底部、下游坝脚溢出点，有防渗墙条件下坝体上、下游面最大孔隙水压力降幅达60%，浸润线沿坝轴线为“Z”字形，具有较大防渗效果。

(2)研究了防渗墙设计参数对渗流特征参数影响规律，防渗墙深度、厚度均与坝基单宽渗流量、防渗墙后水头值、坝脚逸出点渗透坡降为负相关关系，但不同厚度下防渗墙底部渗透坡降随深度为先减后增变化，同一厚度80 cm下，深度10 m时坝基单宽渗流量相比深度4 m时降低了66.7%，而同深度4 m下厚度80 cm、100 cm、120 cm的单宽渗流量相比厚度60 cm时分别降低了16.4%、19.8%、27.5%，防渗墙深度8 m时的墙底部渗透坡降为各厚度下最低。

(3)综合坝体渗流安全性与工程经济性，防渗墙深度2 m时坝脚逸出点渗透坡降处于最佳的抑制状态，而厚度80 cm时可兼顾渗流安全性与工程经济性，该方案下四个渗流特征参数均处于安全允许区间，满足安全性设计要求，为最优设计方案。