水库大坝渗流稳定分析及加固设计

吕远坤

（新疆维吾尔自治区塔里木河流域喀什管理局，新疆喀什844700）

水库大坝渗流稳定分析及加固设计

吕远坤

（新疆维吾尔自治区塔里木河流域喀什管理局，新疆喀什844700）

渗流是指水在大坝坝体缝隙中的流动，其流动特性与渗流骨架的混凝土性质有关。由于水坝十分庞大，各部位受外界因素的影响力度不同，因此坝体内部的孔隙大小形状十分复杂，很难计算出水流质点的真实流速。所以工程上一般用综合性参数表征其渗流性质。基于势流理论中的柯西-黎曼方程，建立了大坝流固耦合模型，利用多种方法计算水库大坝渗流稳定性安全系数，对其进行渗流稳定性分析。并提出套孔冲抓回填式防渗墙、深层搅拌防渗墙等加固方案的原理及适用条件，希望为今后水库大坝加固设计提供帮助。

水库大坝；渗流；稳定性

研究表明，水库大坝病害主要是由坝体密实度较差和抗渗能力不足引起的。常见的病害形式有：坝体渗漏、蚁洞渗漏、涵洞渗漏、绕坝渗流、坝基渗流等。渗流是指水在大坝坝体缝隙中的流动，其流动特性与渗流骨架的混凝土性质有关，图1即为坝体内部的水平裂缝。由于水坝十分庞大，各部位受外界因素的影响力度不同，因此坝体内部的孔隙大小形状十分复杂，很难计算出水流质点的真实流速。目前认为水库大坝的渗流规律满足达西定律，所以工程上一般用综合性参数表征其渗流性质［1-2］。修筑水库大坝时必须控制坝身和地基的渗流，防止土体发生冲蚀损害、护坡发生滑坡破坏。

图1 坝体内部的水平裂缝

基于势流理论中的柯西-黎曼方程，建立了大坝流固耦合模型，利用多种方法计算水库大坝渗流稳定性安全系数，并对其进行渗流稳定性分析。渗流计算的主要目的在于求解出渗流场内的渗流量、孔隙压力、坡降、水头损失等参数。依据这些参数设计排渗方案和加固措施。为了保证水库大坝的安全，本文提出了套孔冲抓回填式防渗墙、深层搅拌防渗墙等加固方案，并给出各方案的加固原理及适用条件。

1 水库大坝渗流分析方法

总体而言，水库大坝渗流分析方法可分为流体力学法和水力学法。流体力学法基于渗流边界条件求解渗流问题，计算精度很高，可以计算出大坝渗流场中任意一点的渗流水头、渗透压力、流动损失、坡降、流速、渗流量等［3］。水力学法基于渗流条件对渗透方程进行简化，采用平均流线法和矩形替代法进行求解，计算过程较为简单，但是只能得出某一截面的渗流参数，误差较流体力学法大。

本文基于渗流区域流线和等势线形状，设势函数Φ=kh，则有：

根据势流理论中的柯西-黎曼方程，渗流中必定存在一个流函数Ψ，并满足：

对（2）式中的两边分别对x、z求导，得出：

由此可见渗流势函数和流函数是共轭的，其共同的解析解即为流网。通过流网可以得出渗流量、大坝内部的孔隙压力、坡降等。坝体内部渗流运动的质量力、表面力可利用纳维斯-托克斯方程、流体力学方程组进行求解。基于达西定律，大坝空间内的二维渗流速度在坐标轴方向的分量为［4-5］：

将3个坐标轴方向的速度带入渗流连续方程，得出渗流微分方程为［6］：

式中：h—水头，m；kx、ky、kz—x、y、z方向的质量力，N。

如果是各向同性的，即；kx=ky=kz，则Laplace方程可进一步简化为：

2 渗流稳定安全系数

当大坝内部有渗流存在时，在超静水压力的作用下，土体的含水率将增加，抗剪强度变差，因此容易产生边坡失稳。与岩土力学中的稳定性分析一样，大坝渗流稳定分析也可分为总应力法和有效应力法2种。可以通过上述理论得出孔隙水压力，就应当采取有效应力法。因为使土体变形的是有效应力，所以研究孔隙压力对大坝稳定性的影响时，只考虑自由面以下的水压力。基于国外研究情况，本文给出了替代容重法和Bishop法的安全系数计算方法。

替代容重法广泛应用于水库大坝稳定性分析，是由瑞典法简化而来。计算自由面以下土体时，利用浮容重代替饱和容重。与瑞典法相比，替代容重法中无孔隙水压力项，只适用于坡度平缓的大坝。稳定安全系数为：

式中：li—土条长度，m；bi—土条的宽度，m；γ—容重，kg/m3；h1i—自由面以下高度，m；γ＇—土的浮容重，kg/m3；h2i—自由面以上高度，m；Wi—土条的重量，kg。

Bishop法不计土条间的切应力，此方法得出的稳定安全系数为：

式中：mθi—计算系数。

基于ANSYS有限元软件建立数学模型，图2即为水库大坝模型平面布置图。

图2 水库大坝模型平面布置

在渗流模型下，稳定性扰动都是瞬间出现的，但是渗流作用时间一般都很长，最长可达几十小时。依据上述分析，水库大坝病害主要是由于渗流引起的，首先建立大坝的初始状态，利用ANSYS计算得到水位上升后的竖向应力分布云，如图3所示。

图3 大坝水位上升后的竖向应力云

由图3可以看出，水位上升后，竖向压力分布自上而下依次降低，呈中间低两边高的趋势。研究表明，渗流通道不同、渗流量不同，竖向应力分布也不相同。水位上升后，应力明显增加，说明水位高度影响着坝体稳定性。

3 水库大坝加固设计

通过对水库大坝渗流分析、稳定性安全系数计算和ANSYS数值研究，得出随着水位的增加，竖向应力值也会随之增加，大坝内的渗流量增加。水位升高后，渗流路径的位置相对提高。据对水库大坝渗流稳定性的研究，提出以下2种加固方案。

3.1 套孔冲抓回填式防渗墙

套孔冲抓回填式防渗墙是利用冲抓钻头钻孔，并回填粘性较大的土，夯实后就可以形成不间断的防渗墙。本方案涉及的机械设备简单，对现场无特殊要求，主要设备有：冲抓机、抓瓣式钻头、马蹄式夯锤等。其防渗效果良好，经过夯实后的黏土密度很大，渗透系数很小，对周围的坝体有挤压作用。掺合少量的水泥可以改善黏土的力学性能，使其防渗效果更好。

3.2 深层搅拌防渗墙

深层搅拌防渗墙是利用搅拌机将水泥等材料送到地下进行搅拌，使其与沙土充分拌合，硬化后形成水泥土桩体。水泥土桩体组成的防渗墙即深层搅拌防渗墙。此墙的质量很好，墙体较厚，均匀性良好。此方案施工期短，造价低，适用于土坝或者软基坝的加固。

4 结语

由于水坝十分庞大，各部位受外界因素的影响力度不同，因此坝体内部的孔隙大小形状十分复杂，很难计算出水流质点的真实流速。所以工程上一般用综合性参数表征其渗流性质。基于势流理论中的柯西-黎曼方程，建立了大坝流固耦合模型，利用多种方法计算水库大坝渗流稳定性安全系数，并对其进行渗流稳定性分析。得出随着水位的升高，竖向应力明显增加。并基于渗流稳定理论提出套孔冲抓回填式防渗墙和深层搅拌防渗墙2种大坝加固方案。希望为今后水库大坝防渗流研究提供帮助。

［1］沙成刚.基于Geo-Studio的土石坝渗流与稳定分析研究［D］.兰州理工大学，2014.

［2］程伟平.动态模型在土石坝长期渗流稳定性分析中的研究［J］.水力发电学报，2005（04）：84-88.

［3］崔立军.陡河水库大坝渗流观测资料稳定分析［J］.黑龙江水利科技，2013（10）：66-68.

［4］王海青.水库大坝渗流及稳定分析实例综述［J］.黑龙江水利科技，2012（12）：157-158.

［5］焦建华.水利水电工程设计中渗流计算的探讨［J］.水利技术监督，2007（05）：46-48.

TV641

A

1672-2469（2015）12-0099-02

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.12.034

吕远坤（1979年—），男，工程师。