砌石坝综合加固措施的渗流分析

胡松涛，张宇驰,2，高江林,2

(1.江西省水利科学研究院，南昌 330029；2.江西省水工安全工程技术研究中心，南昌 330029)

砌石坝，又称圬工坝，是由一定规格要求的石料经浆砌或干砌而成的一种挡水建筑物[1]，因其施工工艺简单，就地取材等特点，能较好的适应当地的自然环境及社会经济条件，在建国初期得到了广泛的应用。随着时间的推移，我国砌石坝大多已步入老坝的行列，有些甚至带病运行，必须采取合理有效地加固措施以保证大坝的安全运行。渗透稳定是砌石坝病险的主要问题，因此，分析加固前后坝体渗流场变化对于评估水库的健康状况尤为重要。国内外常用的渗流计算方法分为理论分析法和实验分析法两类[2]，理论分析法包括：解析法、图解法和数值方法。随着电子计算机技术的飞速发展，有限单元法逐步成为一种较为理想的渗流分析的计算方法。其实质是一套求解微分方程的数值计算法，将实际的渗流场离散为有限个以结点互相连接的单元体，通过计算单元体结点处的水头，求解任一点处的各项渗流要素。目前，最为常用的渗流计算有限元软件包括：GEO-STUDIO[3,4]、MIDAS[5,6]、ABQUS[7,8]、ANSYS[9,10]等。其中，采用ANSYS热分析模块计算渗流，主要是利用渗流场与温度场的相似性[11]，即：渗透系数、渗流流速和水头对应于热传导系数、热流速度和温度；边界条件设置为已知水头分布；取比热、热介质传输速度与内部热生成为零[12]。

本文以大塅水库除险加固工程为例，建立了砌石坝加固前后的三维有限元模型，利用ANSYS有限元分析软件，对6号坝段加固前后的水头、渗透压力和渗透坡降等渗流要素进行了计算，分析研究了坝体渗流场状况，论证了大塅水库加固方案中设置衔接帷幕方案的有效性。

1 渗流分析理论

公式(1)、(2)分别为Darcy定律和渗流连续性方程，将式(1)带入式(2)，得到稳定渗流微分方程，即式(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：υ为某一断面上的平均流速；H为测压管水头，m；k为渗透张量，m/s。

对于稳定渗流的定解问题，基本微分的定解条件只需知道边界条件，分为Γ1第一类边界条件(定水头边界条件)和Γ2第二类边界条件(定流量边界条件)。式(3)应满足如下边界条件：

(4)

2 工程应用

2.1 工程概况

大塅水库位于江西省铜鼓县县城东北，为修水上游支流山口水的第一梯级[11,13]。坝址以上控制流域面积610.45 km2，总库容1.18 亿m3，是一座具有防洪、灌溉、供水、发电等综合利用的大(二)型水库。电站装机容量12.8 MW。工程正常蓄水位212.00 m，设计洪水位212.09 m，校核洪水位213.94 m(主坝)，校核洪水位214.54 m(副坝)，死水位197.0 m，水库总库容1.146 亿m3。主坝为混凝土防渗面板浆砌石重力坝，坝顶高程215.2 m，顶宽8.0 m，最大坝高43.4 m，坝顶长357 m。

1997年8月，大塅水库工程完成正式验收。由于水库建成较早，许多工程技术措施不到位，对水库产生一系列安全隐患，致使水库工程处于带病状态。如：主坝坝顶有较多裂缝，防渗面板存在裂隙、蜂窝、孔洞等缺陷；坝基防渗帷幕产生了较大溶出型腐蚀；坝体浆砌石孔隙率较大，局部存在空洞；廊道混凝土裂缝、漏水、析钙严重[11]。

针对水库存在的一系列安全隐患，2014年完成了水库的除险加固工作，其加固内容主要为：坝顶维持原高程215.20 m不变，在主坝上游原钢筋混凝土面板上增设C25钢筋混凝土防渗面板，上部为1.0 m，下部为1.46 m；对原帷幕灌浆重新灌浆加固后作为主帷幕，同时，在主坝上游坝踵处设混凝土压浆板，压浆板下设一排衔接帷幕，衔接帷幕向下游倾30°，与主帷幕衔接；对坝基原排水孔进行封堵后，在廊道底基岩重新设置孔径为20 cm，孔距为3 m的排水孔；在廊道顶部，在保留原混凝土排水管(孔径20 cm，孔距3 m)基础上，新增设孔径为91 mm，孔距为3 m的排水孔。

2.2 有限元模型建立

选取主坝6号非溢流坝段为研究对象，正常蓄水位工况(上游水位212.0 m)下考虑其为稳定渗流，分别对其加固前后进行渗流分析。按照6号非溢流坝段加固前后的剖面图，建立相应尺寸的ANSYS三维有限模型，坝顶高程215.2 m，上下游地基长度考虑约4倍坝高，设置为160 m。地基深度约为2倍坝高，设置为100 m。模型采用solid45单元，对模型进行网格划分。加固前模型共包含11 367个节点，46 211个单元；加固后模型包含24 562个节点，114 131个单元，如图1所示。在这里假定计算区域边界即地基四周边界和上下游边界为不透水边界(由于采用温度模块计算即视为绝热边界)，坝体上游自由面取定水头，廊道、坝体下游面和排水孔为自由溢出边界。分别对以下两个工况进行渗流计算：上游水位209.63 m，下游无积水(运行工况)；上游水位212.00 m，下游无积水(正常蓄水位工况)。

图1 6号坝段加固前后有限元模型图Fig.1 Finite element model of the 6thdam section before and after reinforcement

2.3 渗透系数的选取

渗透特性分区的合理性与渗透系数取值的准确性是进行渗流有限元计算的基础。结合模型各区域的渗透特性，将加固前的模型分为5个渗透特性区，并赋予不同材料属性(渗透系数)，分别为：坝体砌石体区、原帷幕灌浆区、混凝土区(原混凝土防渗面板和混凝土基础)、上部地基、下部地基。将加固后的模型分为6个渗透特性区，并赋予不同材料属性(渗透系数)，分别为：坝体砌石体区、防渗帷幕区(主帷幕和衔接帷幕)、混凝土区(原混凝土防渗面板和混凝土基础)、新建混凝土防渗面板区、上部地基、下部地基。根据工程地勘报告和质量抽检报告中提供的坝体材料及防渗帷幕渗透系数建议值，类比其他工程的基岩渗透系数，本文选用的加固前后模型各渗透特性分区渗透系数如表1所示。

表1 加固前后各渗透特性分区渗透系数一览表Tab.1 The permeability coefficient of the model permeability partition before and after reinforcement

注：加固后防渗帷幕包括加固前原防渗帷幕灌浆部位灌浆形成的主帷幕和新建的衔接帷幕。

3 计算结果分析

3.1 运行工况渗流特性分析验证

为了验证运行工况下的渗流场分布特征计算结果的合理性，将加固后工程中所设监测点的压力水头实测值与计算结果进行对比，分别如表2所示，其中实测值选取的为2015年12月15日监测点P40和P41的测压管实测值。6号坝段设置的渗流监测断面桩号为Y0+197.00，该断面衔接帷幕和主帷幕后分别布置了P40和P41两个渗流监测点。通过提取距离监测点P40和P41位置最近节点的压力水头结果，求解出监测点压力水头计算值。对比结果表明各监测点压力水头计算值与实测值吻合较好，平均值的水头误差约为-1.86 m，通过数值模拟计算所得渗流场整体上能够较好的反映坝体和基岩的渗流场分布特征。

表2 Y0+197.00断面监测点压力水头实测值与计算值对比 m

3.2 正常蓄水位工况渗流特性分析

渗流计算所得到的正常蓄水位工况下，6号坝段加固前后自由面和溢出点高程对比图、6号坝段加固前后中心线剖面(即Y0+197.25)等水头线、等压力云图和渗透坡降图如图2～图5所示。

图2 6号坝段加固前后自由面和溢出点高程对比图Fig.2 Comparison offree surface and overflow point elevation before and after reinforcement inthe 6thdam section.

从图2可以看出，加固前后的溢出点高程分别为177.96和176.04 m，加固后坝体下游几乎无溢出点；加固后的渗流自由面与加固前相比，在经过混凝土面板后自由面下降较为明显，同时，坝体的浸润线显著降低，并在坝体下游溢出范围较小，加固后的新建钢筋混凝土防渗面板有效控制了坝体内部的渗流场分布，坝体的渗流场状况得到了极大地改善。

对比加固前后6号坝段的等水头线图和等压力线图，即图3和图4所示，加固前后等水头线分布趋势相同，在数值上差异也不大，等水头线在防渗帷幕和廊道顶新设排水孔附近渗流场水头线分布密集，加固后衔接防渗帷幕和主防渗帷幕相比加固前等水头线分布更为集中，且加固后防渗帷幕底部的等水头线最小值为191.9 m明显低于加固前198.6 m，加固后防渗帷幕对地下水的渗流控制作用较为显著；加固前后坝基底部压力分布趋势大致相同，自坝踵至坝趾逐渐递减，6号坝段中心线剖面加固后基岩和坝体新设排水孔位置的压力值分别为13.6和1.0，相比于加固前相同位置基岩和坝体的压力明显降低(加固前对应相近位置压力值分别为32.4和5.7)，廊道顶和基岩新设排水孔有效降低了坝体渗透压力。

图3 加固前后中心线剖面等水头线(单位：m)Fig.3 Water head isolines of center line dam section before and after reinforcement

图4 加固前中心线剖面等压力云图(单位：m)Fig.4 Isobaricnephogram of center line dam section before and after reinforcement

图5为加固前后渗透坡降图，加固前后的最大渗透坡降均出现在混凝土防渗面板的中下部位，最大坡降分别为15.36和20.65，特别是，加固后经过防渗帷幕体的渗透坡降明显降低，总体来看，加固后砌石坝体区和防渗体等部位的渗透坡降都较小，工程所采取的衔接帷幕和主帷幕相结合的渗控措施效果较好，坝体渗透稳定性较高。

图5 加固前后中心线剖面渗透坡降矢量图Fig.5 Seepage gradient vector of center line dam section before and after reinforcement

3.3 衔接帷幕防渗效果分析

正常蓄水位工况下，通过对比加固后有无设置衔接帷幕时的坝基渗流场状况，验证衔接帷幕对于提高坝基的防渗可靠性的作用。渗流计算所得的中心线剖面有无设置衔接帷幕情况下的等水头线云图如图6和图7所示。

图6 中心线剖面无衔接帷幕下的等水头线云图Fig.6 Water head isolinesnephogram of center line dam section without the connection curtain

图7 中心线剖面有衔接帷幕下的等水头线云图Fig.7 Water head isolinesnephogram of center line dam section with the connection curtain

从图6和图7可看出，对于有无设置衔接帷幕情况下，砌石坝坝基水头值分布状况大致相同，主帷幕前坝基水头值沿上游重构的混凝土防渗面板逐渐减小，主帷幕后坝基水头明显降低，说明防渗面板和坝基主帷幕的防渗效果较为显著。坝基渗流场差异主要集中在图中黑色标识区域内，即主帷幕与坝面防渗面板之间区域内。当设有衔接帷幕时，该区域内的坝基水头沿衔接帷幕逐渐降低至主帷幕区域，且数值小于无衔接帷幕情况下该区域内的水头值。

可以认为，上游重构防渗面板下部增设的衔接帷幕具有较好的防渗效果，同时，有效连接了坝体防渗体(防渗面板)与坝基防渗体(主帷幕)，使得坝体与坝基形成了一个完整封闭的防渗体系，提高了坝基主帷幕与防渗面板之间部位的抗渗能力，极大地改善了砌石坝坝基的渗流场状况。

4 结 语

以铜鼓县大塅水库除险加固工程为实例，建立了该砌石坝6号坝段加固前后的有限元模型，利用渗流场与温度场的相似性，以ANSYS有限元分析软件为平台，对该坝段运行工况和正常蓄水位工况进行三维稳定渗流计算及分析，计算结果表明：

(1)针对砌石坝采取的综合加固措施，有效降低了坝体浸润线、渗透压力和渗透坡降，提高了坝体的抗渗能力，使得本次除险加固在防渗处理上达到了良好的加固效果。

(2)在现有防渗排水体系下，新设衔接帷幕的渗控方案合理有效，研究结果可为渗控方案设计提供理论依据。

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