有限元法在土石坝渗流稳定分析中的运用

王 鑫赵才全梁 军

有限元法在土石坝渗流稳定分析中的运用

王 鑫1赵才全2梁 军1

一、引言

土石坝的渗流是一个比较复杂的空间问题，但在工程设计中常将其简化为平面问题处理。土石坝渗流计算方法主要有解析法、手绘流网法、实验法和有限元法等。解析法分流体力学法和水力学法，前者立论严谨，但只能用于某些边界条件较为简单的情况；水力学法计算简易，精度可满足工程要求，得到了广泛的应用。手绘法是一种简单易行的方法，能够求渗流场内任一点渗流要素，并具有一定的精度，但在渗流场内具有不同土质，且其渗透系数差别较大的情况下较难应用。遇到复杂地基或多种土质坝，可用电模拟实验法，它能解决三向问题，但需一定设备，且费时较长。近年来，有限元法在土石坝渗流分析中得到了广泛应用，此种方法可以计算非稳定渗流和较复杂的渗流问题。本文拟采用有限元软件（AutoBANK）对淮安市桂五水库大坝渗流稳定进行计算分析，为进一步制定水库大坝除险加固措施提供渗流稳定分析理论依据。

二、工程概况

桂五水库位于淮安市盱眙县西南山丘区，汇水面积36.20km2，总库容2620万m3，兴利库容1671万m3，是一座以防洪、灌溉为主，结合水产养殖等综合利用的中型水库。

水库大坝为均质土坝，长850m，顶宽8.00m（含挡浪墙宽），坝顶高程63.10m，最大坝高21.00m，挡浪墙顶高程63.60m。迎水面坡比为1∶3.0，浆砌块石护坡桩号0+000～0+800，高程57.24～62.25m。背水面设一级戗台，顶宽14.00m，顶高程59.00m，戗台上下坡比均为1∶2.5，戗台内有清水坝干渠输水箱涵，断面为2.25 m× 2.25m（长×宽）。

三、大坝渗流性态现状分析

桂五水库大坝经数次加高培厚筑成，因当时施工工艺条件差等原因，坝身填土碾压质量参差不齐。通过现场检查和走访有关人员，得知大坝渗流性态现状存在以下问题：

（1）大坝坝体内埋设的测压管已堵塞损坏，失去作用。

（2）大坝坝身渗水量较大，背水坡排水暗管堵塞，不能正常排渗，排水沟长度不足，水流冲刷坝坡面，坝后有深塘。背水坡桩号0+270～0+750渗水，以桩号0+300～0+700最为严重，经测量当水库水位达60.0m时，渗水量25.2m3/s，日渗水量604.8m3，出逸点高程51.65m，且有逐年有上升的趋势。

四、大坝渗流稳定计算

为了对桂五水库现状大坝渗流安全进行评价，根据水位情况，考虑其遭遇的可能性和产生渗流破坏的可能，选择对1/3坝高水位、正常蓄水位、设计水位、水位降落期水位下的大坝渗流稳定性进行分析。

本次渗流计算选择了渗水较为严重的坝段断面（桩号0+700）进行计算，主要计算单宽渗流量、出逸坡降等。

1.计算方法

采用由河海大学研制的软件（AutoBANK），软件内部采用有限元技术，首先对桂五水库大坝0+700断面进行网格划分，然后对稳定渗流场进行分析输出计算断面的渗流量、水力坡降等。

2.基本资料

（1）计算工况

根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）的规定，结合桂五水库的具体情况，渗流分析计算包括以下几种工况，详见表1。

表1 渗流稳定计算工况表

（2）地质参数

渗流稳定分析地质资料采用成果见表2。

表2 渗流稳定分析地质资料采用表

（3）土的渗透坡降允许值计算

由该工程土质资料分析仅1-1、1-2土层有可能发生渗透破坏，参考土样试验报告，首先将试验得到的土料的孔隙比换算为孔隙率，然后采用《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287-99）附录M中的计算方法求这两层土的允许水力坡降。

根据土料颗粒分析统计可知

式中：Pc为土的细颗粒含量，以质量百分率计；

n为土的孔隙率。

由此可见，土料不均匀系数小于5.0，细粒含量大于35%，故其渗透变形破坏为流土型。

土的渗透变形判别如表3所示：由式（1）计算得到土料1-1、1-2的临界水力坡降分别为0.935与0.951，由于流土破坏为整体性破坏，对大坝危害较大，故允许的渗透坡降安全系数取2.0，土料1-1、1-2的允许水力坡降分别为0.468 与0.475。

3.计算结果

坝体渗流稳定计算结果详见表3。

表3 渗流稳定成果表

4.结果分析

桂五水库工程始建于20世纪五六十年代，施工断断续续，由于当时的历史条件限制和工程技术水平的制约，严重影响了工程施工质量。水库蓄水运行后坝体、涵洞多处出现渗漏险情，后虽经局部除险加固，但经过几十年的运行，仍暴露出很多问题，存在较多安全隐患。

桂五水库最大坝高处断面在正常、设计和校核水位工况下，大坝出逸坡降均大于逸出点处1-2土层渗透变形允许的水力比降0.475。因此，大坝存在渗流破坏危险。

根据渗流有限元计算与大坝实际渗流性态分析结果可知，桂五水库大坝坝体填筑质量差，坝体渗透性大，造成浸润线高，存在渗透破坏的可能以及影响大坝坝坡抗滑稳定性。

五、结语

有限元法能够很好的计算土石坝中非稳定渗流和较复杂的渗流问题。通过比较发现，大坝渗流稳定计算结果与实测的大坝渗流情况基本吻合，能够较好地从理论上反应出大坝整体渗流情况■

（作者单位：1.淮安市水利勘测设计研究院有限公司 223005 2.江苏省灌溉总渠管理处 223200）

（专栏编辑：张 婷）