基于二维稳定渗流有限元的病险大坝渗流分析

郭友刚，石强

（湖北大禹水利水电建设有限责任公司，武汉430062）

基于二维稳定渗流有限元的病险大坝渗流分析

郭友刚，石强

（湖北大禹水利水电建设有限责任公司，武汉430062）

针对古城水库大坝出现的渗漏问题，在充分核实和精确计算的基础上，采用二维稳定渗流有限元计算方法，进行了渗流分析,对不同工况进行了计算，研究了渗流对坝体产生的影响及危害性，以期为同行提供借鉴。

有限元；水利大坝；渗流；质量控制

1 引言

本文研究对象古城水库大坝坝中部河槽处分布第四系全新统冲积粉质粘土，承载力低，压缩性高，易引起压缩沉降，造成坝体开裂及渗漏。老河床部位渗漏、散浸现象较为严重，原始地面处理不彻底，接合面及软夹层透水形成。并且由于坝体与坝基间的接合面含有较多腐殖土及较多粉质，局部含少量砾砂，施工时清基不彻底，腐殖土孔隙度大，土质疏松，中等透水性，易形成渗漏；坝基土局部中等透水性，长期位于高水位情况下，易形成渗漏。

2 古城水库概况

古城水库最大坝高21.5m，坝顶长度1070m，坝顶高程155.50m。主坝坝顶局部沉陷不均，坝顶高程达不到原设计坝顶高程，一般在0.1～0.3m之间，最大处达到0.39m。

古城水库建成后，经过多年的运行使用，发现大坝存在很多问题，大坝下游坡渗水严重，由于大坝施工质量差，坝坡面多处沉陷不均，坡面混凝土块塌陷严重，损坏面积达13928m2，损坏率达61.0%。

通过地质分析，造成坝基渗漏的主要原因包括：（1）坝体与坝基间的接合面含有较多腐殖土及较多粉质，局部含少量砾砂，施工时清基不彻底，腐殖土孔隙度大，土质疏松，中等透水性，易形成渗漏；（2）坝基第②层土局部中等透水性，长期位于高水位情况下，易形成渗漏。

据此对大坝填筑质量进行评价：大坝坝体填筑质量不合格。

大坝下游坡面排水沟损坏严重，坝下贴坡式反滤排水原设计长200m，未按设计要求兴建，实际只建了40m，且已堵塞失效。由于水库确权划界工作没有到位，大坝外坡禁脚内农民进行耕作的现象十分普遍，给大坝造成了一定的安全隐患。据此，对上游护坡及下游坝脚质量评价为不合格[1]。

3 计算古城水库大坝渗流

在对古城大坝渗流进行计算时，可以使用二维稳定渗流有限元计算方法，依据各向同性来对土层渗透性进行分析。在对断面进行计算时，分别对河床的最大断面（0+350m）及岸坡坝断面（0+485m）进行计算。计算工况按初步设计的调洪计算结果，在选择上游水位时，分别选取了正常蓄水位、设计洪水位以及校对洪水位，其高度为153m、154m和155m。在选择下游水位时，河床坝段和岸坡坝段均为136m。

由以上试验可得出如下结论：大坝各土层的渗透系数及允许渗透坡降取值见表1，根据渗流计算成果[2，3]，见表2。

表1 各土层渗透系数及允许渗透坡降表

表2 二维渗流计算成果表

4 古城水库大坝抗滑计算

根据渗流计算成果，古城水库大坝抗滑稳定计算取河床段最大断面0+350m和岸坡坝段0+485m来进行计算。依据《中国地震动参数区划图》（GB18306—2001）中的有关规定，水库所在位置的地震动参数标准值为0.05g，地震烈度保持在Ⅵ度以上，在进行复核计算时，地震荷载的作用不进行详细考虑[4,5]。

依据水库的实际情况和《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)的要求，在对工况进行计算时，主要分为以下2种情况：（1）正常工况。在正常蓄水位的情况下，渗流情况比较稳定，此时下游坝坡也比较稳定；在设计洪水位的情况下，渗流情况比较稳定，此时下游坝坡也比较稳定；正常蓄水位下降到死水位时，上游坝坡会出现比较稳定的情况。（2）非正常工况。在校对洪水位的情况下，渗流情况比较稳定，此时下游坝坡也比较稳定；当校对洪水位下降到正常蓄水位时，上游坝坡会出现比较稳定的情况。使用有效应力法进行计算，地质资料的有关参数构成了计算参数，依据已有经验来进行校对，具体情况见表3。

表3 大坝稳定分析计算的有关参数

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274－2001)的规定，对3级建筑物，也要使用有效应力法和总应力法，参考的依据为安全系数的最小值。在对体坝和厚坝计算抗滑稳定性时，最佳的办法就是使用简化毕肖普法，此次计算过程中，对瑞典圆弧法和简化毕肖普法在计算抗滑稳定性的情况进行了认真的对比。最终选择使用的计算程序为岩土工程边坡稳定的计算程序，它是由北京理正软件研究所研制的。

在水库水位降落期，采用瑞典圆弧法进行稳定分析时，其抗滑稳定安全系数可以分别采用有效应力法和总应力法公式进行计算。

用总应力分析，计算较简单，无需考虑孔隙压力，分析的可靠性在很大程度上取决于试验条件模拟现场的实际情况。用有效应力分析，其抗剪强度一般对试验条件不很敏感，变化较小，分析的可靠性主要取决于对剪切面上孔隙压力反映的真实程度。

在稳定渗流期里，依据渗流分析计算坝体内的渗流压力，坝体中的孔缝水压力u的计算公式如下：

式中，γW为水容重；h为渗透压力水头。

压缩性比较大的填土中出现水位下降的情况以后，会有附加孔缝压力出现，在确定孔缝水压力时会比较困难。在计算时，采取了取近似值的方法，对降落时出现的孔缝压力消散的情况没有进行考虑，孔缝水压力系数不用太精确，可以按照以下公式进行计算：

式中，h1为填土高度；h为水头损失值。

5 计算结果分析

通过渗流计算可知，大坝渗流量大，其原因是坝基、坝体防渗性能较差。坝体为黏土，允许渗透坡降值为0.40，坝基（Q4al）允许渗透坡降值为0.45。计算成果表明,坝体出口渗透坡降最大为1.62，坝体与坝基接触面渗透坡降最大为0.46，均大于允许渗透坡降，不满足要求，坝体容易发生渗透破坏。从渗流计算结果可以看出，渗流逸出点高程在139.88～151.98m之间，逸出点过高。加之在水库的实际运行中,观测到当水库蓄至正常蓄水位附近时，大坝在下游第二级坡多处发生散浸和明流现象，理论计算和实际运行情况均说明坝体和坝基在渗流方面不满足要求，故需要对坝体和坝基进行防渗处理。

依据《碾压式土石坝设计规范》（SL274—2001）的有关规定，对3级坝体进行稳定分析时，可以使用瑞典圆弧法。在正常运用的情况下，坝坡抗滑稳定安全系数的最小值一定要大于1.2；在非正常运用的情况下，坝坡抗滑稳定安全系数的最小值一定要大于1.1。使用简化毕肖普法后，在正常运用的情况下，坝坡抗滑稳定安全系数的最小值一定要大于1.3；在非正常运用的情况下，坝坡抗滑稳定安全系数的最小值一定要大于1.2。

6 结语

本文采用二维稳定渗流有限元方法对古城水库大坝的进行渗流及抗滑分析，分别进行了不同工况的计算，最后得到了大量的结果及图表。研究表明，水库大坝填筑过程中的清底工作十分重要，其渗透及渗透稳定性直接关系到大坝的稳定性。

【1】齐晓华,李晓丽,张波.基于有限元法的大坝渗流分析[J].内蒙古农业大学学报(自然科学版),2012（3）:211-215.

【2】龚雪,方朝阳.漕河水库大坝渗流分析及加固设计方案探讨[J].水电能源科学,2009(4):58-60+53.

【3】路阳,方朝阳.叶家圈水库大坝渗流分析[J].人民黄河,2010（8）:136+ 139.

【4】仇建春,蔡婷婷,蒋玮,等.大坝渗流统计模型在棉花滩水电站右岸绕坝渗流分析中的应用[J].水电能源科学,2013（5）:49-51.

【5】王智阳,赵婷,崔晓波.故县水库大坝渗流分析[J].水利与建筑工程学报,2012（5）:132-136.

Two Dimensional Nonlinear Finite Element Analysis on the Dam Seepage of Gucheng Reservoir

GUOYou-gang，SHIQiang
(HubeiDayuWaterResourcesandHydropowerConstructionCo.Ltd.，Wuhan 430062,China)

Applying the finiteelement,combining theactualcircumstanceof theGuChengReservoirDma,thePaperspeciallyanalyzed the influenceoftheseepgae to thedam.Otherw ise,theharm fulnessoftheseepageto thedam,theresultof thecirculationandanalysisof thispaper notonlyhavethereferenceeffectto theotherreservoirsthatneed tobestrengthened,butalsoaccumulateexperienceforthedangerousreservoir treatmenttechnology research.

finiteelement；hydroelectricdam；seepage；qualitycontrol

TV640.31

A

1007-9467（2016）08-0140-02

10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.038

2016-03-02

郭友刚（1977～），男，湖北武汉人，高级工程师，从事水利工程施工及管理研究，（电子信箱）543800337@qq.com。