基于三维有限元堆石坝渗流稳定性分析

房清清

（费县水利工程保障中心，山东 临沂 273400）

0 概述

堆石坝的稳定性是根据其边坡稳定性、渗流稳定性或地震稳定性来综合分析评估的。尤其是堆石坝的抗渗稳定性，是判断其是否安全、是否发生大量渗漏、漏水中是否包含土壤颗粒的关键因素，通常在坝体下游安装渗漏测量装置进行监测。然而，在实际大坝运行管理时，由于受到降雨、地下水或周围山区的影响，对大坝渗流的监测并不准确。目前国内外常采用数值模拟的方法对其进行研究分析[1-4]。邹韬 等[5]以我国西南某水库的土石坝为例,采用Geostudio 软件中的SEEP/W 模块和SLOPE/W模块对土石坝进行渗流稳定分析；刘雷 等[6]利用COMSOL 软件,结合现场检测大坝坝体填筑料物理力学特性,模拟坝体背水坡填筑粘土进行拼宽放坡除险加固方案,探究正常蓄水位、设计洪水位及校核洪水位3 种不同工况下坝体渗透特性,得出拼宽放坡措施提高了坝体防渗性能，寸银川 等[2]以德党河水库坝为研究对象，建立了三维有限元模型进行渗流分析；马小甜[8]以铁斯巴汗水库为研究对象,通过计算分析水库渗流及大坝稳定性情况。本文为评估大坝在各水位条件下的渗流量，先使用PLAXIS 3D 对大坝进行了建模分析，之后在相同条件下，使用SEEP/W 2D 和3D 分析对边坡进行渗流分析，然后将2D 分析结果值与3D 分析结果值进行比较。最后将2D 和3D 分析结果值与大坝的实际测量值进行比较，最后对大坝防渗加固提出建议。研究结果可为相关工程提供参考。

1 数值模型与计算参数

本次研究的大坝为堆石坝，大坝高73 m，长51 m，总库容5.95 亿 m3，大坝的建设始于1984 年12 月，于1993 年12 月31 日完工。为了更好地进行有限元数值分析，本研究将坝体和坝底均纳入建模范围，坝体截面形状由5 个不同的材料区域组成，包括心墙、滤层、砂砾石层、岩石层、河流沉积层，如图1 所示。表1 给出了三维渗流分析计算区域的相应渗透系数。数值分析网格是采用精细划分模式自动生成的，由29 173 个单元和42 656 个节点组成。图2 给出了应用于数值分析的地层形状和网格形状。为研究不同蓄水位下坝体渗流量的变化情况，本研究采用了3个水位阶段：①正常控制水位163 m；②中间水位150 m；③上游水位为低水位137 m，下游水位为坝体底高105 m, 然后使用VG 模型，通过水头差进行渗流分析。除此之外，对于影响渗透量最快的心墙渗透系数，基于大坝安全诊断报告（2012年）的正常高水位, 通过应用设计值和质量试验结果值（实验室和现场）进行渗透分析, 并将每个分析结果值与2D 分析结果值进行比较。表2 给出了应用于心墙的渗透系数。本次数值分析的目标范围是沿X 轴482.6 m、沿Y 轴730 m 和沿Z 轴172 m，并考虑到大坝周围边坡的高度，仅允许沿X 轴方向有水流。用于数值模拟的程序是由荷兰公司Plaxis 开发的Plaxis 3D，这是专门用于岩土工程的有限元分析程序，能够对大坝进行准确的三维渗流分析。

图1 堆石坝尺寸

表1 不同区域渗透系数

图2 数值分析的地层形状和网格形状

表2 心墙渗透系数

2 数值结果分析

大坝渗流量由各种环境因素决定，如水库水位、降雨量、来自坝体周围的边坡流量等，本文模拟时先考虑了水库水位的影响，图3 给出了本次大坝模型的渗流场计算结果，其中蓄水水位分别为163 m、150 m 和137 m。由图3 可知，对于距离坝踵0.87 m、1.04 m、1.28 m 和1.46 m 的孔，浸润线的高度分别为0.27 m、0.24 m、0.193 m 和0.175 m，此外一些渗流场还存在于大坝模型的下游面，并在距坝踵1.41～1.48 m 的距离内流出。该浸润线与下游边坡相交，存在潜在的管涌破坏，将影响大坝的稳定性。模型总渗流为6.388 9×10-7m3/s（2.3 L/h），渗流量为1.277×10-6L/s/m。此外，为对比二维与三维数值分析的不同，通过水头差对稳态进行分析。二维和三维分析均采用相同的岩心渗透系数。在2D 分析的情况下，本研究将其乘以沿坝轴线515 m 的长度，以获得渗流量。然后给出了70%的渗流量，其结果反映了坝体的形状。考虑到坝体底部地形的形状，大多数二维数值分析结果仅反映了70%，高于考虑100%底部地形的三维分析结果，因此即使相同的分析模型，2D 和3D 相比，大多数二维数值分析结果值高于三维数值分析结果值。

图3 数值计算结果

3 实测渗流量

为了验证分析数值分析结果的正确性，将大坝上测量的数据和过去3 年（2011 年11 月至2014 年10 月）的实际降雨量用日期标记，然后获得如图4 所示的结果。图4 表明，实际渗透量不仅受到坝体水位的严重影响，还受到降雨的严重影响。本研究分析了低水位下的渗漏量测量结果，但异常测量值表明设计渗漏量超过290 L/min。图5 给出了过去3 年中不同水位下的渗漏量，通过最接近测量值的设计渗透系数获得的2D 和3D 分析结果。可以看出，数值分析结果值与测量值之间存在巨大差异的原因是渗流量不仅受到水库水位的影响，而且还受到降雨、地下水等的影响。将渗漏量数值分析结果值进行比较，11 月至2 月这4 个月属于干旱期，发现渗漏量受水库水位影响最大。因此，大多数测量值都包含在2D 数值分析结果中，降雨量也包含在所有第4 个月的数据中。此外根据水位对11 月至2 月4 个月期间的具体测量值数据进行分类，并与数值分析结果值进行比较。可以看出，3D 分析结果与测量值非常接近。仅使用低水位和降雨量作为变量很难评估大坝的实际渗漏量，也就是说，如果在数值分析的基础上，至少在干旱期对应的季节内，实际测量值继续高于3D 分析值的渗流量。

图4 实际测量水位与降雨量

图5 数值分析结果与实测比较

4 防渗加固措施

现今巩固和加强防渗墙主要有以下几种技术。高压喷射注浆法能够简单、便捷地规划整个操作工艺，同时还能够保证浆液固结体的长时间使用与高强度。正因为以上优点，高压喷射注浆法常在堤坝坝基的覆盖层和一些接触带等地方被广泛应用。不同的固体形态取决于不同的高压喷射方式。通常而言，防渗墙主要应用于堆石体情况复杂的部位。双管喷射、单管喷射以及三管喷射是当下常见的高压喷射方式；垂直铺塑防渗技术也具备简单、便捷的特点，同时还能够降低施工成本。因此，这种防渗墙处理技术在低水头堤坝处广泛应用。

另一方面反滤沟导渗技术、透水压渗平台技术、临水截渗技术是水平防渗加固技术中应用最广泛的3 种形式。第1 种技术主要应用于堤坝的背水坡大面积渗水，且无法在临水侧进行有效截流的情况。由于该种技术仅能维护坡面的稳定性，因此，在应用之前需对堤坝的情况进行综合分析。透水压渗平台技术也要求事先分析，但其特点是防渗效果更好，同时也带来了施工量大、施工难度大等困难。除此之外，临水截渗技术能够有效且持续性地控制堤坝渗漏流量，因此，常常被用于提升堤坝的防渗效果。

5 结论

本文为评估大坝在各水位条件下的渗流量，先使用PLAXIS 3D 对大坝进行了建模分析，之后在相同条件下，使用SEEP/W 2D 和3D 分析对边坡进行渗流分析，然后将2D 分析结果值与3D 分析结果值进行比较。最后将2D 和3D 分析结果值与大坝的实际测量值进行比较，得出蓄水水位分别为163 m、150 m 和137 m 时，对于距离坝踵0.87 m、1.04 m、1.28 m 和1.46 m的孔，浸润线的高度分别为0.27 m、0.24 m、0.193 m 和0.175 m，一些渗流场还存在于大坝模型的下游面，并在距坝踵1.41～1.48 m 的距离内流出。此外，通过与实测值对比发现，测量值和数值分析值之间存在很大差异，是因为渗流量不仅受水库水位的影响，还受各种自然活动（如降雨、地下水等）的影响。