非稳定渗流条件下含类泥状夹层面板堆石坝三维渗流分析

张友辉，柳金泉，李 阳

（1.河南省固始县白果冲水库建设管理局，河南 固始 465236；2.中电建路桥集团有限公司，北京 100160；3.固始县水利局河道管理处，河南 固始 465299）

1 工程概况

某水电站大坝工程位于国外某地，工程规模为大（2）型。水库区河谷宽阔，岸坡总体上缓下陡；地层岩性较单一，主要分布有砂岩和泥岩；工程区旱季与雨季分明，降雨量大。上电站正常蓄水位为263m，死水位238m，面板堆石坝最大坝高125m，坝型采用混凝土面板堆石坝，右岸布置溢洪道、导流洞及泄洪放空洞。混凝土面板堆石坝坝顶高程266m，趾板河床建基面最低高程为141m，坝轴线长438.82m，坝顶宽度8.7m，上下游坝坡均为1∶1.4，上游坝坡采用钢筋混凝土面板防渗，面板厚度从0.3m渐变到0.65m；下游水电站坝面采用干砌石护坡。坝体分区图见图1。混凝土面板堆石坝在填筑碾压过程中，分层碾压层面出现5～10cm 厚的粉细砂层，碾压堆石料互层厚度为80cm；雨季碾压施工时表面形成类泥状物，导致堆石区产生80cm/10cm（堆石／粉细砂）的互层，由此在坝体内部产生软弱带。该层的存在可能影响坝体中渗流场分布，使坝体防渗及稳定性无法得到保证[1-3]。

图1 坝体分区图

为此，本文依托该混凝土面板坝工程，针对施工填筑期间产生的类泥状夹层，通过建立三维渗流有限元模型，开展不同工况的数值模拟，选取各工况下典型状态，在非稳定渗流条件下，研究该大坝渗流场变化情况，并依据分析结果对大坝整体稳定性作出评价与判断，可为同类工程提供借鉴与参考。

2 非稳定渗流场分析计算模型

2.1 有限元模型构建

本文三维渗流分析坐标原点选取在整个模型的距坝轴线0±000.000 下游1605m、左岸1105m 处，底板高程为30m。综合考虑天然地下水观测水文地质资料，距坝轴线上游740m 处设为上游边界，下游1065m 处设为下游边界，距坝轴线0±000.000 左岸1105m 处设为左岸边界，右岸415m 处设为右岸边界，模型底面为防渗帷幕最低点下延50m，三维模型尺寸大致为1520m×1805m×350m（宽×长×高），共划分单元516943 个，节点105520 个。该工程区别于常规工程的特点在于层间泥质夹层的影响，泥化夹层在模型构建过程中，按薄层单元进行考虑，因其与堆石料互层频率较高。为减少工作量，同时兼顾到安全性，建立模型时泥质夹层的厚度统一取为10cm。模型见图2。

图2 模型示意图

2.2 材料计算参数选取

根据勘察资料，坝址区基岩为强风化体，弱风化体，微风化体与新鲜岩体四部分。各材料的渗透系数见表1。

表1 材料渗透系数表

2.3 边界条件设置及工况模拟

大坝坝顶高程266m，正常蓄水位为263m，死水位为238m。下游水头边界采用泄放校核洪水位168.8m；上游边界由不同工况进行调整；左右岸边界由地质剖面图及钻孔水位确定左右岸边界处浸润线位置为低于地面高程40m；模型底面为不透水边界。

依据研究目的与现场实际分析需求，开展以下两种工况进行研究，见表2。

表2 不同工况参数表

3 坝体三维计算与分析

3.1 蓄水工况下渗流分析

为便于对蓄水过程进行展示，选取初始高程160m 稳态，蓄水至高程200m 瞬态，蓄水至高程263m 瞬态，蓄水至高程263m 后稳定一年，四个状态进行分析描述，图3 给出了整个研究区域蓄水期的水头分布图。

图3 蓄水工况下各状态总水头分布三维图

由图3 可见Y=0 平面中水头分布基本与山体起伏一致，在库水位抬升过程中，引水隧洞中的水压力同步上升，对原有山体的渗流场产生一定的影响；随着蓄水趋于稳定，流场亦趋于稳定，由蓄水至263m 和263m 稳定运行一年的结果可以看出两者差异较小。显然，蓄水工况下，类泥状物对大坝渗流场影响不明显。

3.2 泄放洪工况下渗流场分析。

同样，为便于对水位降落过程流场进行展示，选取初始263m 稳态，降落至250m 的瞬态，降落到238m 的瞬态三个状态进行分析。图4 为泄放洪期间的水头分布图。

图4 泄放洪工况下各状态总水头分布三维图

由图4 可知，随着库水位下降，放空洞和引水隧洞中水压力同步下降，两岸山体相同位置处水头降低，整体符合混凝土面板堆石坝渗流特征，类泥状夹层对此工况下渗流场影响不明显。

3.3 特定剖面渗流分析

为充分反映渗流场分布情况，截取模型中12 个剖面，进行分析，剖面位置详见图5。

图5 各个剖面图在模型中的位置分布图

本文选取剖面X=873m 处，选定初始水位160m时及蓄水至263m 运行一年后工况，重点分析研究断面水头分布、孔压分布及浸润线分布，具体结果见图6、图7 和图8。

图6 X=873m 处水头分布图

图7 X=873m 处孔压分布图

图8 X=873m 处浸润线分布图

对比图6、图7、图8 可明显看出：随着坝体上游蓄水区的水头抬升，在防渗帷幕位置水头等值线图分布集中现象越明显，说明防渗体的作用随水位的升高承担越来越多水头降。坝体内的浸润线整体变化不明显，仍表现较为平缓。因为混凝土面板和坝体渗透系数差异达几个数量级，其引起水头降的效果极为显著。在防渗帷幕及面板作用下，类泥质夹层对渗流场影响不明显。

3.4 模拟结果统计与分析

3.4.1 渗流量分析

坝体坝基和坝身渗流量是堆石坝渗控设计的主要内容之一[4,5]。为此，在对该面板堆石坝渗流分析的基础上，统计在大坝运行期各部位的渗流量，见表3。

表3 大坝运行期各部分渗流量统计表

3.4.2 水力坡降分析

根据面板堆石坝的特点可知，混凝土面板和防渗帷幕是最为主要的挡水构筑物，其他部位的水力坡降都较小[6]。通过分析，坝体坝基各部位最大水力梯度基本出现在坝0+192 断面，大坝蓄水时与泄放洪时的最大水力坡降分布情况汇总于表4、表5 中。

表4 蓄水期有关部位最大水力坡降计算值表

表5 降落期有关部位最大水力坡降计算值表

由表4、表5 可得：面板为防渗混凝土，且该工程为大（2）型，其临界水力坡降在200 以上，分析得出在运行期实际水力坡降最大值为186，小于规范要求，认为面板不存在渗透破坏的问题，同时其他部分材料分析获得的水力坡降均满足规范设计要求。

4 结论

本文依托国外某混凝土面板堆石坝工程，针对填筑期间出现的类泥状物而产生的互层可能危及坝体防渗安全问题，考虑工程实际需求，建立有限元三维渗流分析模型，开展类泥状物夹层对于坝体渗透的专项分析，深入研究不同工况下渗流场变化情况，据此对大坝的安全性状作出评价。

（1）整体分析：从大坝横断面上的渗流压力分布来看,计算断面渗流符合一般面板土坝的渗流流场分布,未见有碍面板坝渗流安全的异常或畸变情况。

（2）渗漏量及渗透坡降分析：从大坝运行期各部分渗流量来看，大坝总体渗漏量不大，坝体内最大水平渗透坡降值在允许渗透坡降值范围；在蓄水工况及泄放洪工况下，浸润线下游浆砌石护坡中出逸，出逸渗透坡降小于坝坡允许渗透坡降。

综合上述，按设计提供相关信息进行三维渗流分析后，该大坝在蓄水期与泄放洪期总体渗漏量不大，类泥质夹层存在对渗流场影响可忽略不计，其对大坝整体渗流稳定不构成威胁，坝体暂时没有渗透破坏的风险。但是在施工过程中对于防渗效果及质量需加强监控，以确保防渗体系的完整及有效性