基于FLAC 3D求解沙湾河水库土石坝渗流场特征分析研究

刘 茵

(东莞市水务工程质量安全监督站，广东 东莞 523109)

水利工程中不仅需要考虑静力结构的应力、变形稳定性，同样需要考虑水工建筑物渗流状态，其渗流安全性乃是结构防渗关键，故开展相应的水工建筑渗流场特征分析很有必要[1-3]。一些学者认为，渗流场特征分析计算不仅仅专注于稳定渗流工况，同样非稳定渗流工况由于水工结构变化较复杂、渗流运动较活跃等特点[4-6]，亦应重点关注。施得兵等[7]、陈斌等[8]借助模型试验方法，设计有溢洪道、水库大坝等水工模型，以实际工况开展相应的溃坝、泄流研究，全过程进行渗流场特征参数监测，为工程渗流安全设计提供重要借鉴。当然，模型试验成本较高，周期较长，因而利用数值仿真手段，建立水利计算模型，在相应的稳定工况与非稳定工况荷载条件下，获得包括浸润线、水头压力等特征参数在内的渗流场变化[9-11]，为实际工程设计对比提供了参考。本文根据沙湾河水库土石坝工程在竣工完建期稳定工况及降雨、蓄水位上升非稳定工况，研究开展了稳定-非稳定渗流场特征分析，为工程建设提供相应依据。

1 工程概况

为提升地区内水资源供给调度能力，水利部门考虑对境内沙湾河上游新建一小型水库，设计库容量为120万m3，正常蓄水位为56.7 m，主要面向生活供水及调节下游水位。该水库工程包括土石坝、泄洪闸以及溢洪道等，其中泄洪闸为地区水位调节重要水工设施，最大泄流量可达1200 m3/s，水闸闸墩静、动力稳定性较佳，采用预应力锚索作为结构加固措施，结构体系中最大拉应力不超过1.3 MPa，闸室结构中以压应力分布为主，结构位移主要发生在沉降方向，验算获得最大位移沉降并未超过5 mm，在水闸两端设置有挡土边墙，确保闸室基础抗倾覆、抗滑稳定性，设计采用弧形钢闸门作为启闭闸门，直径为2.2 m。溢洪道堰顶高程为52.5 m，分布在坝体左岸，泄流孔宽度为3.6 m，下游设计有消力池设施，池中深度为0.9 m，设计以消能坎作为抗水力冲刷设施，池内水面线并未超过失稳破坏值，另经消能池后水头压力可降低50%～70%。该水库所处地层地质构造活动较稳定，上覆土层主要为第四系堆积砂砾石及碎土，松散性较大，颗粒级配较好，主要岩性包括有部分黏土岩与砂岩等，节理及断层发育较少，仅在南侧岸坡上可见。工程场地内砂砾料较多，可作为混凝土骨料及垫层滤料使用，经检测各类水利材料满足使用要求。在当前地质条件下，沙湾河水库拟建土石坝高程为60.9 m，设计有一高度为4.5 m的防浪墙，坝顶轴线长度为355.0 m，坝顶宽度为4.6 m，坝身采用混凝土固化，上、下游坡度分别为1∶2、1∶2.5，坝址底部设置有厚度为55.0 cm的防渗垫层。该水库坝体采用分层堆筑施工，确保每层沉降满足安全设计要求后，方可进行后一层堆筑；由于土石坝体在施工及完建期内渗流场活动关乎着坝体抗渗性，因而，针对该拟建土石坝开展不同工况下的渗流场特征分析很有必要。

2 稳定渗流场特征

2.1 建模及工况

针对沙湾河拟建水库土石坝工程渗流场特征计算原则，利用FLAC 3D有限元仿真计算平台，建立坝体有限元模型，如图1所示。该计算模型包括有堆石坝身、石渣垫层区等，基于微单元网格划分，共获得2685个单元体，2588个节点，上、下游坡度等参数均以实际设计方案为准，根据堆筑坝中不同材料设定有不同的计算参数，相关物理力学参数按照室内实测取值。计算模型中X、Y、Z正向分别设定为下游河流向、右岸轴线方向、垂直向上方向[12-13]。边界荷载在坝体顶部设置有单方向约束，底部为多向约束，按照计算流程分别设定有1#、2#工况，上游水位分别对应32.5 m、56.7 m。

图1 坝体有限元模型

2.2 稳定渗流场特征分析

根据渗流场特征计算，获得土石坝静水工况下孔隙水压力特征，如图2。从图2可看出，1#工况中孔隙水压力整体分布从坝底至坝顶递减，上游坝底处分布有最大孔隙水压力，达5.020 MPa，坝身各区间孔隙水压力分布呈块状递减式，上游临水侧孔隙水压力高于下游背水侧，且在下游背水侧孔隙水压力出现负值，表明坝身土体处于非饱和状态，最大负孔隙水压力为0.795 MPa。

当水库蓄水位增高后，达到2#工况时，此时孔隙水压力分布基本与1#工况一致，但量值上出现显著差异，2#工况上游坝底最大孔隙水压力增大了5.6%，达5.296 MPa，从坝底至坝顶依然为递减分布，局部块状分布形态与1#工况一致。下游背水侧中最大负孔隙水压力相比1#工况有所降低，降幅为6.3%，达0.745 MPa；表明水库蓄水位增高，坝身上游坝底孔隙水压力增高，而下游坝身负孔隙水压力降低。笔者认为，当水库蓄水位增高后，坝体浸润线势必会受影响提高，导致坝身内部进入更多水流活动，渗流场活跃性提升，静水压力对上游孔隙水压力具有促进作用，最大孔隙水压力增大；同时孔隙水压力在坝体内逐步蔓延至下游背水侧，导致背水侧非饱和土体逐步吸收水分，非饱和土体分布量亦减小，进而负孔隙水压力降低[14-15]，产生2#工况中下游负孔隙水压力低于1#工况现象。

图2 坝体孔隙水压力分布特征(稳定渗流工况)

3 非稳定渗流场特征

非稳定渗流场特征变化乃是坝体内部多场耦合的一个重要表征现象，本文为分析土石坝非稳定渗流场特征，设计开展降雨过程与蓄水位上升两种不同环境下坝体渗流场分析。

3.1 降雨过程

降雨过程为降雨强度递增趋势，且分别从水位32.5 m、56.7 m开始降雨(3#、4#工况)，降雨时间统一设定为24 d，计算这两种不同工况下土石坝非稳定渗流场变化。

图3为未开始降雨前坝身孔隙水压力分布状态。从图3可看出，3#工况孔隙水压力分布为2.37～5.02 MPa，在坝体高程上从坝底至坝顶为递减过程，坝顶与坝底间孔隙水压力差异幅度达111.8%，坝身上孔隙水压力为层状式递减，上、下游坝身孔隙水压力在同一高程上基本一致。4#工况孔隙水压力相比3#工况仅量值上有所提升，分布状态基本一致，坝顶、坝底的孔隙水压力相比3#工况分别提升了11.9%、5.6%。

图3 降雨前坝身孔隙水压力分布状态

图4 降雨过程坝身孔隙水压力分布(从左至右分别为降雨1 d、12 d、24 d)

图4为3#、4#工况下降雨过程坝身孔隙水压力分布特征。从图4可知，3#、4#工况随降雨强度增大，坝身上孔隙水压力均为递增[16]。3#工况中在降雨1～12 d间坝顶孔隙水压力有所减弱，但减幅仅为0.11%，而降雨12～24 d 孔隙水压力又呈稳定状态，整体上孔隙水压力均为从坝底至坝顶递减，随降雨强度增强，坝顶小孔隙水压力分布区域逐步减少，上、下游坝身孔隙水压力基本一致。从分布特征变化趋势来看，坝底大孔隙水压力分布面积随降雨强度在逐步扩展，而受降雨影响，坝顶小孔隙水压力分布区域逐步减少。

对于水位增长至正常蓄水位下的4#工况来说，在相同降雨1 d、12 d、24 d时间对比中，坝底最大孔隙水压力差异幅度分别为0、4.0%、2.7%，而坝顶小孔隙水压力间对比幅度差异为0、1.5%、1.5%，孔隙水压力分布变化特征基本与3# 工况一致，表明正常蓄水位与较低蓄水位的降雨过程中，坝身孔隙水压力分布基本一致，仅在量值上有幅度差异。另一方面，正常蓄水位4#工况中降雨时间1～12 d、12～24 d间坝顶小孔隙水压力增幅为1.4%、0，而在坝底处最大孔隙水压力增幅又为2.2%、2.0%，表明正常蓄水位工况受降雨强度影响，孔隙水压力变化更为敏感。

3.2 蓄水位上升过程

蓄水位上升过程均从完建期无水开始上升，5# 工况为水位上升至正常蓄水位56.7 m，6#工况为水位上升至59.9 m，水位上升时间均为100 d。根据两种不同水位上升过程计算，获得孔隙水压力分布变化特征，如图5所示。

从图5可知，两工况孔隙水压力分布特征基本一致，仅在坝底、坝顶上孔隙水压力量值具有显著差异，表明非稳定渗流工况下，孔隙水压力变化空间分布特征影响较小，但受时间变化影响较大。在竣工完建期无水情况下背水侧存在有负孔隙水压力，即土体处于非饱和状态[17]，随水位上升，小孔隙水压力分布量值在降低，5#工况中降雨1 d小孔隙水压力为1.88 MPa，而在降雨50 d、100 d时小孔隙水压力值相比前者分别降低了42.6%、55.1%，平均每50 d可导致坝身负孔隙水压力降低48.9%；而在6#工况中，负孔隙水压力亦是同理变化，但降幅相比5#工况有所减弱，平均每50 d可导致坝身负孔隙水压力降低31.1%，分析认为此与初始状态下6#工况中存在有水位，此时背水侧土体内非饱和状态优于5#工况。临水侧坝底存在有最大孔隙水压力，随水位上升，逐步增大，5#工况中最大孔隙水压力随水位提升50 d，平均增幅为86.6%，而6#工况下幅度又为100.6%，此与6#工况中水位上升速率高于5#工况，造成临水侧水头压力差较大，进而产生临水侧孔隙水压力增幅高于5#工况的现象。在相同水位上升时间1 d、50 d、100 d时，5#与6# 工况间坝底处最大孔隙水压力幅度差异分别为6.3%、5.6%、5.6%，而坝顶处小孔隙水压力幅度又为6.2%、14.1%、6.6%，表明初始水位状态不仅影响坝身孔隙水压力的变化幅度，也会影响孔隙水压力分布量级。

图5 蓄水位上升过程坝身孔隙水压力分布

4 结 论

(1)稳定渗流工况下蓄水位上升，不改变坝身孔隙水压力分布特征，孔隙水压力均为从坝底至坝顶递减；仅影响孔隙水压力量值，蓄水位56.7 m与32.5 m相比，坝顶最大负孔隙水压力降幅为6.3%，而坝底最大孔隙水压力增幅为5.6%。

(2)降雨非稳定渗流工况下，未降雨前，水位32.5 m、56.7 m的孔隙水压力分布为2.37～5.02 MPa、2.65～5.30 MPa；随降雨强度增大，坝身上孔隙水压力均为递增，且小孔隙水压力分布区域减小，两工况中降雨过程坝底、坝顶孔隙水压力差异幅度分别为0～4.0%、0～1.5%。

(3)蓄水位上升非稳定渗流工况中，随水位上升，初始水位56.7 m与59.9 m工况下每50 d平均可导致坝身负孔隙水压力平均分别降低48.9%、31.1%，而临水侧最大孔隙水压力平均增幅又分别为86.6%、100.6%；同一水位上升时间节点处两工况的最大孔隙水压力、最小孔隙水压力差异幅度分别为5.6%～6.3%、6.2%～14.1%。