土石坝防渗墙渗流稳定性数值模拟分析

于秋梅

(黑龙江省青冈县水务局,黑龙江 青冈 151600)

1 数值模型

1.1 模型概述

某水利枢纽工程最大坝高23.5 m,坝宽3.5 m。大坝坝身采用混凝土浇筑。坝体表面铺设有防渗面板。水库最大泄流量为1350.0 m3/s。

为保证大坝增设防渗墙不会对水库的安全性造成影响,本文重点分析防渗墙设计参数对地下渗流场的影响。根据实际工程,本文模型考虑防渗墙深度不小于坝基的1/3,且不超过溢流面阶梯段长度的2/3。据此建立数值分析模型,整个模型的计算长度为50.0 m,宽度为25.0 m,高度为20.0 m。数值模型中网格划分均采用四边形单元。岩土体本构为摩尔-库伦模型。为了模拟防渗墙和岩土体的接触,本文在两者之间设置了Goodman接触单元。最终模型的网格总数为22 300个,节点单元为261 223个。模型典型断面图见图1所示。计算中假定防渗墙的渗透系数为1×10-9m/s。模型的顶部和底部均为自由,侧向约束水平方向的位移。水位工况为保持上游水位18.0 m。考虑本文研究内容,在计算工况的选取中,防渗墙深度选择5.0～16.0 m。防渗墙厚度选为0.5～3.0 m。

图1 大坝防渗墙网格

1.2 数值计算模型参数

根据室内土工试验及参考相关类似材料研究,汇总得到本文数值计算各材料的物理力学参数见表1所示。

2 结果与分析

2.1 防渗墙深度对地下渗流场影响

图2是防渗墙深度与水头差的关系。结果表明，大坝上游、防渗墙及大坝下游的水头差随防渗墙的深度增大而逐渐减小。在上游侧水头差的分布主要集中于3.5～7.6 m；而下游侧水头差的分布比上游显著降低了42.0%～47.0%。具体来看，对于大坝上游水头差，当防渗墙深度分别为5.5 m、7.5 m、9.5 m、11.5 m、13.5 m和15.5 m工况时，对应的水头差分别为7.6 m、6.1 m、4.7 m、3.8 m、3.6 m和3.5 m。说明由于墙的阻水作用，该位置及下游侧渗流区水流均为平静状态，因此水头差较小。此外，随着防渗墙深度的逐渐增大，各位置水头差均有所降低，但降低速率越来越小。尤其是当防渗墙深度>11.5 m时，水头差在各工况下平均降幅仅为0.4%。综合来看，一味地增大防渗墙深度对于提高结构防渗效果并不明显。根据本文的研究工况来看，防渗墙深度11.5 m为最优深度。

图2 防渗墙深度与水头差的关系

图3是防渗墙深度与流速的关系。结果表明，流速最大的位置位于坝底。流速分布区间介于1.6～2.9 cm/s。此外，坝底的流速随防渗墙的深度增大而先保持稳定随后增大，而防渗墙墙底的流速随防渗墙深度的增大而先减小后增大。坝底流速在防渗墙深度>11.5 m时显著增大，深度为13.5 m和15.5 m时分别比深度11.5 m增大了27.0%和77.0%。当防渗墙深度为11.5 m时，防渗墙底流速最小为0.5 cm/s，而深度为5.5～11.5 m时，流速平均增大了110.0%以上。

图3 防渗墙深度与流速的关系

2.2 防渗墙厚度对地下渗流场影响

图4是防渗墙厚度与水头差的关系。结果表明，大坝上游、防渗墙及大坝下游的水头差随防渗墙的厚度增大而逐渐减小。这一规律与图2和图3规律基本相同。其中大坝上游的水头差最大，分布区间为4.0～9.0 m。当防渗墙厚度为0.5 m时，水头差为6.0 m。与防渗墙厚度为1.5 m、2.5 m和3.0 m相比，显著降低了50.0%、52.0%和52.0%。此外，当防渗墙厚度>1.5 m时，防渗墙厚度增大对水头差的影响程度越来越小。因此，一味地考虑增大防渗墙厚度对提高防渗效果并不经济[1-2]。综合本文结果来看，防渗墙厚度为1.5 m时最优。

图4 防渗墙厚度与水头差的关系

图5是防渗墙厚度与流速的关系。结果表明，流速最大的位置位于坝底。流速分布区间介于2.9～3.4 cm/s。此外，防渗墙底的流速随防渗墙的厚度增大而先减小后保持不变，而坝底的流速随防渗墙厚度的增大而先减小后增大。综合来看，当防渗墙厚度为0.5～1.5 m时，坝底的流速平均降低了25.0%，而厚度为1.5～3.0 m时，流速平均增大24.0%。因此，当防渗墙厚度增大至一定区间内，墙的防渗效果显著提高，但过大的防渗墙厚度会导致墙体部位出现绕流，水流紊乱，造成墙底的局部冲刷[3]。综合防渗墙厚度与水头差的关系以及防渗墙厚度与流速的关系可以发现，防渗墙厚度为1.5 m时最优。

图5 防渗墙厚度与流速的关系

2.3 防渗墙底部渗流坡降变化规律

图6是防渗墙底部渗流坡降与防渗墙深度的关系。结果表明，相同防渗墙厚度下，防渗墙底部渗流坡降随深度的增大而减小，而相同深度下，防渗墙厚度越小，防渗墙底部渗流坡降越大。在防渗墙厚度为0.5 m，防渗墙底部渗流坡降达到最大，最大值为58。显然，过当增加防渗墙的深度是不经济的。尤其是当深度>11.5 m时，渗流坡降变化速率有所增大。出现这一现象的主要原因是，随深度的增大，防渗墙底端的水流通道体积减小，从而导致渗流速度变大，进而导致局部水头损失的渗流坡降上升。尤其是当防渗墙深度足够大，接近于弱风化基岩时，渗透坡降变化速率明显发生突变[4]。综合本文的分析，防渗墙深度11.5 m最优。

图6 防渗墙底部渗流坡降与深度的关系

3 结 论

(1)大坝上游、防渗墙及大坝下游的水头差随防渗墙的深度增大而逐渐减小。在上游侧水头差的分布主要集中于3.5～7.6 m；而下游侧水头差的分布比上游显著降低了42.0%～47.0%。随着防渗墙深度的逐渐增大，各位置水头差均有所降低，但降低速率越来越小。综合来看，一味地增大防渗墙深度对于提高结构防渗效果并不明显。根据本文的研究工况来看，防渗墙深度为11.5 m为最优深度。

(2)大坝上游、防渗墙及大坝下游的水头差随防渗墙的厚度增大而逐渐减小。其中大坝上游的水头差最大，分布区间为4.0～9.0 m。当防渗墙厚度为0.5 m时，水头差为6.0 m。当防渗墙厚度>1.5 m时，防渗墙厚度增大对水头差的影响程度越来越小。综合本文结果来看，防渗墙厚度为1.5 m时最优。

(3)相同防渗墙厚度下，防渗墙底部渗流坡降随深度的增大而减小，而相同深度下，防渗墙厚度越小，防渗墙底部渗流坡降越大。在防渗墙厚度为0.5 m，防渗墙底部渗流坡降达到最大，最大值为58。出现这一现象的主要原因是，随深度的增大，防渗墙底端的水流通道体积减小，从而导致渗流速度变大，进而导致局部水头损失的渗流坡降上升。