某病险土石坝加固前后的渗流与坝坡稳定分析

黄 靖，陈 群，吕洪旭

(四川大学水利水电学院，四川 成都 610065)

1 前 言

渗流是土石坝的固有特性，是伴随水库的蓄水运行而发生的。土石坝建成蓄水后，如果坝料的物理力学指标不当，坝体的浸润线过高，渗漏的逸出点过高，导致渗流从下游坝坡面溢出，下游坝体大片呈湿润状态，并且随着时间的延长，坝身土体逐渐饱和软化，甚至在坡面上形成分布较广的细小水流，严重的产生表面流土，或引起坝坡滑塌等失稳现象，进而危及到整个土石坝的安全［1］。

本文主要针对某土石斜墙坝由于斜墙和砂石料的渗透系数相差不大而导致坝体浸润线过高的情况，对该土石坝存在的渗流问题及渗流对下游坝坡的不良影响，采取了设置粘土防渗墙的防渗措施，再利用Geostudio2007软件对该土石坝稳定渗流期进行有限元分析，对设置防渗墙前后的渗流场和坝坡稳定性进行对比分析，验证了用防渗墙加固后对坝体渗流和稳定性的改善作用。

2 计算原理

2.1 渗流计算原理

本文是以水头h的分布作为研究对象，将土石坝渗流问题简化为二维渗流问题(x－z垂直剖面)。将达西定律导入二维渗流连续方程便得到下式［2］:

式(1)为二维非均质各向异性稳定渗流场的基本微分方程式，kx、kz分别为x和z方向的渗透系数。

2.2 边坡稳定分析方法

采用计及条块间作用力的简化毕肖普法对坝坡的稳定性进行分析。采用有效应力法分析时，毕肖普法的安全系数 Fs为［3］:

式中 Wi——土条的重量;

αi——土条重力线与通过此土条底面中点的半径之间的夹角;

c′i，φ′i—— 分别为土条的有效粘聚力和内摩擦角;

bi——土条的宽度;

ui——土条底部各弧面li中点的孔隙水压力。

式(2)中左右两边都含有安全系数Fs，因此需经迭代求解Fs值。

3 计算方案及参数

某水库枢纽工程由主坝、石拱副坝、砂石副坝、土石副坝、放水闸、放水口及溢洪道组成。该水库工程等级为三等，主要建筑物为3级。校核洪水为1000年一遇，校核洪水位438.57 m;设计洪水为100年一遇，设计洪水位437.94 m;正常蓄水位和死水位分别为436.14 m和428.50 m。

本文选取该工程的土石副坝进行计算分析。该土石副坝为黏土斜墙土石坝，坝基高程为423.50 m，坝基为不透水基岩。坝顶高程 439.85 m，最大坝高16.7 m，坝顶长42.0 m，坝顶宽5.6 m。黏土斜墙顶高程与坝顶同高。坝体内坝坡坡比为1∶1.9～1∶2.75，外坝坡坡比为 1∶2.0～1∶3.5。排水棱体顶高程为427.20 m。该坝存在的病险情况主要有:左坝肩下游有湿润区，存在绕坝渗漏;坝顶及内、外坝坡不平整;下游坝面出现大面积散浸，实测浸润线位置较高;存在白蚁建巢危害。该土石坝的最大剖面如图1所示。

图1 土石坝的最大剖面(无防渗墙时的计算简图)

针对该斜墙坝存在的渗流问题及渗流对下游坝坡稳定性的不良影响，在坝轴线处设置了黏土防渗墙，防渗墙的宽度为0.8m，满足抗渗要求，并浇筑混凝土防渗墙深入坝基4m。

3.1 渗流计算模型的网格划分及边界条件

本文基于该土石斜墙坝的最大剖面利用SEEP/W程序进行稳定渗流分析。设置防渗墙前后的计算模型简图分别如图1和2所示，在计算时对模型进行三角形自由网格剖分，计算模型的有限元网格见图3。

图2 有防渗墙时的计算模型简图

计算模型的边界条件如图3所示，迎水面上游水位以下设为定水头边界，以上为不透水边界。背水面430.10m高程以上为不透水边界。以下设为可变边界，当计算的水头小于该高程时，为不透水边界;当水头大于该高程时，为与高程相等的水头边界。坝顶和坝基均为不透水边界。

3.2 渗流计算方案

对正常运用条件(正常蓄水和设计洪水)和非常运用条件(校核洪水)的各种水位以及相应下游水位时坝体的稳定渗流场进行分析。渗流计算的工况如下:(1)正常蓄水位436.14m;(2)设计洪水位437.94m和(3)校核洪水位438.57m。

3.3 渗流计算参数选择

图3 计算模型的有限元网格图

计算时，由于主要考虑的是斜墙和砂石区中的浸润线对下游坝坡的影响，因此，砂壤土保护层取与砂石料相同的参数;黏土铺盖和黏土护坡取与黏土斜墙相同的参数。坝料的饱和渗透系数通过室内渗透试验得到，计算所用的饱和渗透系数见表1。

表1 坝料的饱和渗透系数及物理力学指标

在稳定渗流过程中，坝料中可能存在非饱和土体，因此要考虑在非饱和土中渗流作用的影响。非饱和土中的渗透系数不是一个常数，它是非饱和土含水量或基质吸力的函数。

对于砂石料和黏土斜墙的渗透函数，由以下方法求出:用Fredlund等［4］提出的由级配曲线预测土水特征曲线的方法推求坝料的土水特征曲线，再由土水特征曲线和饱和渗透系数推算渗透函数。砂石料和黏土斜墙的级配曲线如图4(a)所示，推求的渗透函数曲线如图4(b)所示。

图4 砂石料和黏土斜墙的级配曲线和渗透函数曲线

3.4 渗流作用下的下游坝坡稳定分析

该土石斜墙坝稳定渗流期的下游坝坡抗滑稳定分析，采用规范规定的简化毕肖普法;由于建筑物等级为3级，查SL274－2001《碾压式土石坝设计规范》［5］可知，在正常运用条件下，坝坡抗滑稳定安全系数最小允许值为1.3;在非常运用条件I下，坝坡抗滑稳定安全系数最小允许值为1.2。

本次分析选取与渗流计算相同的剖面，采用有效应力法在Geostudio2007的SLOPE/W程序中对下游坝坡在有无防渗墙时进行抗滑稳定性分析计算。有效应力法所需用的孔隙水压力值为有限元渗流计算所得的孔隙水压力值。

坝坡稳定计算与渗流计算做类似的处理:砂壤土保护层取与砂石料相同的物理力学指标;黏土铺盖和黏土护坡取与黏土斜墙相同的物理力学指标。

4 计算结果及讨论

图5、6、7分别为三种工况下的浸润线位置及孔隙水压力图。孔隙水压力为0的曲线为浸润线。从三图中可以看出，坝体被浸润线分为两个区域，浸润线以下为饱和区，其孔隙水压力为正;浸润线以上为非饱和区，其孔隙水压力为负。无防渗墙时，由于斜墙土料的渗透系数在10－5cm/s量级，防渗性能较差;砂石料的渗透系数在10－4cm/s量级，两者的渗透系数只相差一个量级，因此下游坝壳中浸润线的位置较高，水流从下游坝坡逸出。浸润线位置受上游水影响，水位越高，坝体中的浸润线也越高。在坝轴线处设置了防渗墙后，在防渗墙前，浸润线位置基本与上游水头持平;浸润线几乎完全是在防渗墙段急剧降落;在防渗墙后，各种工况下的浸润线位置主要受下游水位的控制变化不大;浸润线在下游坝壳中位置非常低，尾部进入坝基，水流未从下游坝坡逸出。

图5 正常蓄水位时的浸润线位置及孔隙水压力等值线

图6 设计洪水位时的浸润线位置及孔隙水压力等值线

图7 校核时洪水位的浸润线位置及孔隙水压力等值线

表2列出了在各种工况下设置防渗墙前后的坝体的单宽渗流量。从表2中可以看出，在设置防渗墙前后，各种工况下的单宽渗透流量都随着水位的逐渐升高而增大，但是无防渗墙时的渗流流量明显比有防渗墙时大很多，说明防渗墙的防渗作用十分明显。

表2 渗流计算结果 m3/d

表3列出了各种工况下的坝坡稳定最小安全系数及允许值。从表3中可看出，在设置防渗墙前后，各种工况下的安全系数都随着水位的升高而逐渐减小，但是在三种工况下设置防渗墙前的最小安全系数Kmin均不满足规范要求，而设置防渗墙后最小安全系数Kmin均满足了规范要求，说明所采取的黏土防渗墙的防渗措施取得了良好的效果。

表3 各种工况下坝坡稳定最小安全系数及允许值

图8为正常蓄水位时下游坝坡的最危险圆弧。由图可知，无防渗墙时下游坝坡的最危险滑面横穿坝体的浸润线，在浸润线以下有较长的滑面，导致下游边坡的稳定性降低。设置防渗墙后，下游坝壳中的浸润线降低，计算所得的最危险滑面远高于浸润线，这对下游坝坡的稳定是有利的。无防渗墙时下游坝坡的最小稳定安全系数为1.290(见表3)，不满足规范的要求;设置了防渗墙后的最小稳定安全系数为1.404，满足规范的要求，下游坝坡的稳定性增大。同样，设计洪水位及校核洪水位时下游坝坡的抗滑稳定分析也得出类似的结论。

图8 正常蓄水位时下游坝坡最危险圆弧

5 结 论

本文通过对某病险水库土石坝设置黏土防渗墙的防渗措施前后，在三种不同工况条件下进行渗流计算和下游坝坡的抗滑稳定分析，得出了下述结论:

(1)无防渗墙时，由于坝壳和斜墙料的渗透系数只相差一个量级，下游坝体浸润线位置较高，水流从下游坝坡逸出;在坝轴线处设置防渗墙后，浸润线在防渗墙内急剧降落，在下游坝壳中位置非常低，有利于坝坡稳定。

(2)无防渗墙时的单宽渗流量明显比有防渗墙时大很多，说明防渗墙的防渗作用十分明显。

(3)在设置防渗墙前，下游坝坡的抗滑稳定最小安全系数Kmin均不满足规范要求。设置防渗墙后，最小安全系数Kmin均满足了规范要求，说明所采取的黏土防渗墙的防渗措施取得了良好的效果，有效地降低了下游坝壳中的浸润线，保证了下游坝坡的稳定性。

［1］高兴民.土石坝坝身渗漏破坏的原因及处理方法［J］.水利科技与经济，2008，14(1):68 －69.

［2］张克恭.土力学［M］.北京:中国建筑工业出版社，2001:54－55.

［3］杨进良.土力学［M］.北京:中国水利水电出版社，2006:219－221.

［4］Murray D Fredlund，D G Fredlund，GW W ilson.Prediction of the soil－water characteristic curve from grain－size distribution and volume－mass properties［C］∥ Proceedings of the 3rd Brazilian Symposium on Unsaturated Soils.Rio de Jneiro，22 －25 April，1，1997:13－23.

［5］SL274－2001《碾压式土石坝设计规范》［S］.北京:中国水利水电出版社，2001.