挡渣坝坝体渗流分析与施工设计

白 阳

（新疆自治区水利水电勘测设计研究院 新疆乌鲁木齐 830000）

挡渣坝坝体渗流分析与施工设计

白 阳

（新疆自治区水利水电勘测设计研究院 新疆乌鲁木齐 830000）

坝体渗流是影响挡渣坝稳定性的关键因素之一，因此计算渗流量具有十分重要的意义。本文着力于大坝渗流分析，简要介绍了有限单元法的渗流计算方法，并结合实际工程得出的计算结果，针对性的提出改善防渗施工设计的措施。

挡渣坝 渗流 有限单元法 施工设计

1 工程概况

渣场库址选择在洛河右岸河滩阶地上，渣场总长2313.20m，挡渣坝库容为161.1万m3，挡渣坝结合场址区周围的黄土坎，共同形成库容满足堆存总厂区约5年排放的渣量（年排放量为30万m3）。待渣面接近挡渣坝坝顶时，在挡渣坝坝前碾压渣面上逐渐加高，与库区碾压渣一样形成碾压渣的整体型坝体，直至形成工程所需的最终库容。渣场最终库容为609.3万m3。工程区地层岩性从上至下主要为粉质壤土层、粉土层、砂卵石层、粘土层。

2 坝体渗流分析

渗流的概念，就是液体在土壤、岩石等介质中孔隙的流动，由于渣的物理力学特性，挡渣坝的安全与渗流分布会受其直接影响，因此必须对渣场进行详细分析渗流情况。一般对于渗流场的渗流理论分析通常有三种方法，即模型模拟、理论求解和有限单元分析法。近年随着计算机技术的快速发展，有限单元法得到了快速的发展，能更好地适应给定边界条件的情况，本文主要探讨的是有限单元法的渗流分析方法。

2.1 渗流计算模型

流体在土壤、岩石中沿着孔隙的流动是个十分复杂的过程，在实际工程应用中没必要准确计算出各点的真实运动速度，只要得出某一工程范围内的宏观平均效果就能解决工程问题。渗流模型的建立有助于渗流情况的研究，它理想化地把整个工程范围内的液体流动看成连续介质的水流运动，并充满了渗流区域的全部空间。因此根据渗流模型的定义，某一断面的渗流速率为：

其中△Q为过段面△A的渗流量；

2.2 饱和—非饱和三维瞬态渗流理论基本方程26

把液体在孔隙中的流动看成是各向同性渗流的话,液体的运动方程符合达西定律，为

其中ui是液体沿x方向的流速；K是液体在介质中的渗透系数；H为x2沿铅直方向的高度；r是液体的容重；p是流体的压强；h是压强水头。

地下水的运动具有连续性，从质量守恒原理可以推出可压缩饱和土体中渗流的连续性方程：

式中：p为流体的密度；

n为土体的孔隙率；

Cs为饱和度。

对于刚性骨架,n=const,且

故上式可改写为饱和一非饱和渗流的一般微分方程式：

其中β代表贮水率，表达式为：

饱和渗流情况，公式(6)右端直接就等于零。对于非饱和渗流,非饱和土渗透系数K与饱和度c,及原有吸湿结合水的饱和度Csw有关。

2.2.1 定解条件

求解公式(6)应给定适当的初始条件及相应的边界条件:

其中b是给定边界水头,n代表的是沿边界的外法线方向。

2.3 有限单元法求解

本文主要介绍时空有限元法求解中的半离散的逐步积分法，计算的第一步骤是将被研究区域剖解成有限个单元体,后得出代数方程组,通过计算机得出结果。求解渗流场中水头函数的方程一般形式为

式中 [K]为所建立的渗透矩阵；

｛H｝是要求的水头列向量；

｛f｝是自由项的列向量；

2.3.1 自由面的确定

对于稳定渗流来说,该面上任一点水头 应等于该点的位置高程 对于非稳定渗流来说,还应满足第二类边界条件的流量补给关系。

2.3.2 渗流量的计算

渗流量的计算要选取适当的断面作为计算单元的中断面，一般为过水断面,计算通过某一过水断面的渗流量计算公式为：

渗流量Q就是这些单元渗流量的代数和。

2.4 挡渣坝工程计算实例

工程下游挡渣坝长度约为657m，坝顶高程371m，坝顶宽5m，上游坝坡取为1:2.5，下游坝坡采用1：2.0，视挡渣坝为均质土坝，坝体的渗透系数为0.00023，地基的渗透系数为0.008。二维渗流有限单元法计算程序进行计算。该程序会自动将整个计算区域单元进行剖分，本工程区域划分为275个单元，167个节点。主程序计算不仅可以得出渗流量，还能够得到坝体浸润线和等势线分布。对比利用有限元软件计算出来的结果和实测结果，如表1所示，可以看出有限单元法具有非常高的准确度，与实际误差较小，具有很高的实用性和可靠性。

表1 关键点水头和断面流量比较

3 挡渣坝防渗施工设计

挡渣坝渗流分析结束后，要针对性的采取相应的施工措施，改善原有的施工设计。坝体填筑采用当地壤土、粉土填筑，主要利用库底及冲沟两侧的开挖料，在坝前碾压渣面上利用废渣碾压形成向库内倾斜的1：30的自然坡比，库区内废渣按1：4的坡向下游侧放坡并逐层堆填，废渣堆填的坡脚线与挡渣坝坝顶上游侧重合，填筑坝料的压实度要符合规定要求，一般不能低于0.97。

3.1 坝体防渗结构

考虑环保要求，渣场采用全库盘防渗，保证厂区排出的废渣及废液不发生渗漏。挡渣坝采用土工膜防渗，复合土工膜铺设高程自坝顶至库底。坝坡平整至1：2.5后直接铺设复合土工膜，坝顶开挖“V”形槽，将顶端膜埋在“V”形槽内，坝脚土工膜与库底土工膜连为一体。依据土工合成材料应用技术规范要求，防渗膜膜厚应不小于0.5mm，同时考虑膜的排水、排气和对膜的保护，选用PE复合土工膜（300g/0.6mm/300g）。

3.2 坝基处理

库底根据地形由北向南方向按照1.6%的坡进行开挖平整压实，铺设土工膜防渗，选用PE复合土工膜（300g/0.6mm/300g），膜上铺设500mm厚保护土防止废渣破坏土工膜。渣场表层清废深度为1.0m，清废土可以用作挡渣坝坝体下游护坡绿化。挡渣坝段坝基清基厚度为1.0m；渣场周围黄土坎段由1：2.5的坡进行削坡处理。挡渣坝桩号0+969.40～ 1+561.654段有一个三角形黄土坎地带，此处需进行开挖，开挖高程定为366.0m。

3.3 渣场排洪

上游冲沟内的洪水均由化工厂周边的排水管网经铁路涵洞排至渣场下游，能进入渣场的洪水只是坡面暴雨洪水，工程区受铁路排洪设施的影响，坡面汇流的面积较小且本地区降雨量小，渣场区域不会形成较大的洪水汇流，作为干式渣场，主要解决雨水对渣场的影响即可。渣场雨水分区考虑如下：（1)由于区域年蒸发量远大于年降水量，渣的堆存范围内雨水暂时贮存，逐渐自然蒸发，最终达到平衡。（2)为防止雨水对坝体下游坡面的冲刷，沿坝体下游坡面修筑排水沟，与其他排水沟连成整体，并就近接入渣场周围的截水沟，使雨水安全顺利地排出去，坚决杜绝雨水与渣体接触后再泄露出去。

4 结语

挡渣坝的渗流及稳定问题是建设水库大坝经常遇到的工程问题,如不考虑坝体渗流情况而直接进行工程施工，会给挡渣坝的稳定性带来严重的影响，甚至会给挡渣坝的安全和人民的生命财产安全带来严重的威胁,因此对施工前的挡渣坝渗流分析是必不可少的过程，工程施工设计要结合渗流情况分析做出相应的改变。本文采用固定网格的有限元法，从理论和数值上给出了大坝渗流分析的计算方法,并将此计算过程应用于实践,具有很大的现实意义。

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10.3969/j.issn.1672-2469.2014.11.027

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1672-2469（2014）11-0000-00

26作者简介：白 阳（1983年—），女，工程师。