复杂地质条件下水库大坝三维渗流研究★

张正东，李家财，赵 琼，刘雪冬

(1.合肥市董铺大房郢水库管理处，安徽 合肥 230031；2.安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230022； 3.河海大学土木与交通学院，江苏 南京 210098)

0 引言

近年来随着我国社会经济的发展，水利工程建筑物也在不断发展，大坝作为水利工程中广泛使用的构筑物形式，在防洪、供水、发电等方面发挥着一系列突出的作用。但是，随着大坝构筑物的发展，安全问题也时有发生。渗流问题是关系到水库大坝安全运行的主要因素[1]。在大坝运行期间，坝体渗流场随着库水位的变化而变化，坝体的土体物理力学性质也会随之变化。因此，在施工中必须对大坝进行渗流监测。如果大坝出现异常或损坏，将给大坝安全运行带来不利影响，威胁着下游居民的生命和财产安全，也给工程管理带来了许多问题。

随着非饱和土力学的发展，许多学者[2-4]逐步认识到渗流计算时考虑非饱和区对渗流场的影响更加符合实际情况。近年来，基于渗流理论及数值模拟方法的应用，国内外许多学者[5-10]借助有限元等数值模拟技术，采用饱和-非饱和渗流理论研究坝体工程中的渗流问题，并取得了丰硕的成果。

本文以合肥市大房郢水库大坝为例，基于饱和-非饱和渗流理论，开展复杂地质条件下水库大坝三维渗流分析，对不同库水位条件下的渗流场进行研究，分析坝体浸润线的位置及其变化、孔隙水压力的变化等，同时将数值模拟结果与实测数据进行比较，为后面相似的工程分析提供一些指导。

1 工程概况

大房郢水库是以合肥市城市防洪为主、结合城市供水的综合利用工程，水库集水面积184 km2，总库容1.84亿m3，属大(2)型水库。本文以主坝为研究对象，主坝为均质土坝，全长2 134.8 m，坝顶高程34.0 m，坝顶宽8 m。迎水坡坡比1∶3；背水坡坡比1∶2.5。水库设计洪水位30.74 m(吴淞高程)，校核洪水位33.64 m，正常蓄水位28.00 m。

大房郢水库主坝地质纵剖图如图1所示，典型监测断面横剖图如图2所示。

根据工程资料，各土层参数如表1所示。考虑到坝体材料的各向异性，新筑填土采用“分层羊角碾碾压”，坝身填土kx=4ky=kz，老填土kx=1.1ky=kz。

表1 大房郢水库土层分区及主要参数

考虑到坝身填土和老填土为非饱和渗流，坝基为饱和渗流，本文通过室内试验对这两种原状土进行非饱和水力特性试验研究，用VG模型对试验结果进行拟合，并预测非饱和渗透系数，各土层土水特征曲线及非饱和渗透系数如图3,图4所示。

2 计算模型

GiD是一款专业强大的数值模拟软件，可用于饱和-非饱和渗流分析，定义、准备和可视化与数值模拟有关的数据。结合主坝地质纵剖图及监测断面横剖图，并进行一定的简化，建立长770 m，宽130 m，高34 m的三维有限元模型，该模型采用四面体单元划分，划分网格后，三维有限元共有节点84 250个，单元430 979个，三维有限元模型网格如图5所示。

3 工况及边界条件

3.1 工况

工况1：上游库水位为正常蓄水位28 m，下游无水位。工况2：上游库水位为设计洪水位30.74 m，下游无水位。工况3：上游库水位为校核洪水位33.64 m，下游无水位。以上工况均模拟瞬态流，孔隙水压力随时间的改变而变化，经一定时间孔隙水压力趋于稳定。

3.2 边界条件

边界条件包括水头边界条件和流量边界条件，水头边界条件可以用孔隙水压力值来表示，P=rw×(y-y0),rw即为水的重度，y为土层任意一点的位置，y0为水面位置。大坝上游水面和上游大坝底部，这两部分区域均为水头边界条件，孔隙水压力值随深度呈线性变化，大坝下游坡面设置为自由渗出面，坝基底部及坝基两侧设置为不透水边界条件，此边界的流量为零。下游无水位，不设置水头边界条件，默认流量边界条件。

将初始未知数P1设置为0并赋予整个大坝，以模拟初始状态下各土层的饱和状态。根据表1将各土层的初始孔隙率分配到相应的几何体积，并将水的初始孔隙率设置为1。整个模拟过程时间设置为350 d，初始时间为0，步长设置为0.1 d。

4 计算结果分析

4.1 孔隙水压力变化

4.1.1 大坝孔隙水压力

孔隙水压力整体分布云图见图6，由图6可知，不同工况复杂地质条件下大坝的孔隙水压力整体分布较为均匀，孔隙水压力从坝顶到坝底呈分层分布，并具有向下逐渐增大的趋势，工况1、工况2、工况3条件下大坝整体的最大正孔隙水压力分别为274 kPa,300 kPa,330 kPa，最大负孔隙水压力分别为-60 kPa,-49 kPa,-37 kPa。孔隙水压力最大值出现在大坝上游底部，最小值出现在坝顶部。随着上游库水位的增大，最大正孔隙水压力值随之增大，最大负孔隙水压力值随之减小。

4.1.2 断面孔隙水压力

以工况1为例，选取典型断面430,710，各断面的孔隙水压力云图以及孔压等值线图如图7,图8所示。

由图7，图8看出，不同地质条件下断面的孔隙水压力分布有一定的差异，表明不同地质的坝基影响着大坝渗流场。710断面孔隙水压力变化趋势较缓，而430断面孔隙水压力变化趋势较陡，由于各断面坝体材料均为坝身填土、老填土且厚度差别不大，且坝基土层中砂壤土③2、全风化砂岩④1厚度较为一致，而坝基较上层土层分布差异较大，这些坝基土层的差异导致了各断面渗流场的变化。

断面孔隙水压力分布趋势较为一致，孔隙水压力随深度的增加而不断增大，最大值出现在大坝上游底部，最小值出现在大坝顶部。430断面的孔隙水压力变化趋势较陡，而710断面的孔隙水压力变化趋势较为平缓。这是因为710断面的地面线高程较高，库水位与大坝下游地面线的高度差较小，且710断面的坝身尺寸较小，水流受阻较小，水流路径相对平缓，因此孔压变化较为平缓。

4.1.3 测点的孔隙水压力变化

取710断面中心线的四个测点，A,B,C,D测点的位置高程分别为30 m,20 m,10 m,5 m，观察其在3种不同工况条件下各断面测点的孔隙水压力随时间的变化情况(见图9)。

A测点处于负孔隙水压力值状态，且随时间变化而不断减小，这是由于A测点的孔隙水压力小于大气压，且随着时间的推移，气压差越大。B测点由负孔隙水压力逐渐变为正孔隙水压力，在非饱和土体中，由于气压差的存在形成负的孔隙水压力，负孔隙水压力对土粒产生吸附作用，增加有效应力，当气压达到平衡时，负孔隙水压力消散，当孔隙水压力大于大气压时，形成正的孔隙水压力。C,D测点均处于正孔隙水压力值状态，且随时间变化而不断增大，这是因为随着时间的推移，水流从上游不断渗入大坝，孔隙水压力不断增大。

在所有测点中，B测点的位置较为特殊，其位于老填土和③2土层的交界处，观察断面B测点的孔隙水压力变化，其变化趋势较为连续，且与同一种土层的其他测点变化趋势相同，无突变异常现象。

4.2 坝体浸润线变化

坝体浸润线即为孔隙水压力为零的线，将孔隙水压力设置为零，孔隙水压力小于零的区域统一设置为黑色区域，孔隙水压力大于零的区域统一设置为灰色区域，浸润线以下为饱和区，浸润线以上为非饱和区，从而得到不同工况下坝体浸润线云图(见图10)。

由于大坝下游现状地面线的高低不一，主坝最右侧的地势较高，在工况1正常蓄水位的条件下，主坝最右侧现状地面处为非饱和区，表现为负孔隙水压力，随着库水位的升高，在工况2设计洪水位的条件下，主坝最右侧现状地面处的非饱和区逐渐转变为饱和区，在工况3校核洪水位的条件下，孔隙水压力不断增大，主坝最右侧现状地面处完全转变为饱和区。库水位越高，坝体浸润线也就越高，这是因为上游库水位较高时，坝体内的最大正孔隙水压力值增大，最大负孔隙水压力值减小，饱和区范围扩大，非饱和区范围缩小，坝体浸润线将不断抬升。

5 结论

本文通过GiD/Code Bright数值模拟软件，结合大房郢水库大坝工程，对复杂地质条件下土石坝的三维渗流进行分析，研究孔隙水压力、坝体浸润线的变化规律，并将数值模拟结果与实测浸润线进行比较，得出以下结论：

1)不同地质条件影响着大坝渗流场的变化，大坝渗流场的变化主要受坝基较上层土层的影响，较上层土层的渗透系数较大时，孔隙水压力变化趋势较陡，坝体浸润线较低；较上层土层的渗透系数较小且坝身截面尺寸较小的断面，其坝体浸润线偏高。复杂地质条件下大坝的孔隙水压力整体分布较为均匀，孔隙水压力从上到下随深度呈分层分布，并具有向下逐渐增大的趋势，孔隙水压力的最大值出现在大坝上游底部，最小值出现在坝顶部。随着上游库水位的增大，最大正孔隙水压力值随之增大，最大负孔隙水压力值随之减小。

2)由于气压差的存在形成负的孔隙水压力，当气压达到平衡时，负孔隙水压力消散，当孔隙水压力大于大气压时，形成正的孔隙水压力，且随着时间的推移，上游水流不断渗入到坝体，正孔隙水压力不断增大。位于两种土层交界处的测点，其孔隙水压力变化趋势较为连续，与同一种土层的其他测点变化趋势相同，无突变异常现象。

3)由于库水位的变化和坝体内部孔隙水压力的变化并不是同步的，在库水位降落期间，坝体浸润线存在着滞后性，实测浸润线高于数值模拟所得到的坝体浸润线。