防渗墙对坝坡渗流和稳定性的影响研究

吾斯曼·依明

（塔里木河流域喀什管理局，新疆莎车844700）

许多研究及统计资料表明，影响库岸边坡稳定性失稳破坏的重要因素是地下水。地下水的渗流作用会影响边坡内的渗流场变化，并随之影响岸坡的稳定性[1-3]。为了确定浸润面位置，众多学者采用解析方法对其进行了研究，目前多采用数值模拟方法对其进行工程计算[4-5]。

对于覆盖层较厚的坝体，采用混凝土防渗墙作为防渗体是一种经济有效的处理方式。如何合理地选择防渗墙的形式，以及对防渗墙应力变形分析，是工程中亟需解决的问题[6-8]。

利用ABAQUS软件，对带混凝土防渗墙的坝体进行渗流和应力分析，并采用3种不同的判据（塑性区贯通、坡顶位移、计算不收敛），对下游坝坡在建立防渗墙前后进行稳定性分析。

1 基本渗流理论

地下水的流动可以通过达西定律进行描述[9]，在x-y平面上可以写成：

其中，总水头 μ可以写成下式：

式中：y——竖直高度，m；p——孔隙水压力，Pa；γw——水的重度，N/m3。

除此之外，还定义了一个孔隙水压力水头μp：

当进行瞬态分析时，其连续性方程为：

式中：kx，ky——土体x，y方向的渗透系数，cm/s；Q——边界流量，m3；t——试件参数。

上式中左端第三项中把水头值的变化通过有效容量c和单元体内含水率的变化联系起来。和饱和土不同的是，非饱和土的有效容量c和非饱和土渗透系数的大小取决于土体中含水率和毛细力的大小。

有效容量c和渗透系数张量K的表达式为：

式中：c——非饱和土有效容量；csat——饱和土有效容量；μp——孔隙水压力水头；n——毛细管孔径数量——毛细力值；K——渗系数张量；Krel(S)——饱和度相关性系数；Ksat——饱和土渗透系数。

2 模型的建立及模型参数

某坝段库岸在水库蓄水、大气降雨等不利因素作用下，处于不稳定状态，可能产生滑移型、剥蚀侵蚀型库岸，产生塌岸破坏在所难免。因此，开展该段库岸的治理工作十分必要。

对研究区勘察资料进行整理，选取库岸的某个典型断面进行分析，对坡面进行适当简化，库岸地质剖面见图1。

图1 库岸地质剖面图

所研究的库岸岸坡为带混凝土防渗墙的坝体，依据相关试验以及规范[9]，对岩土体相关物理参数进行经验取值，坝坡相关的物理力学参数见表1。

表1 坡体相关物理力学参数

利用ABAQUS有限元软件，对带混凝土防渗墙的坝体进行渗流和稳定性分析。

3 渗流和应力分析

3.1 渗流分析

利用ABAQUS对建立防渗墙前后的坝坡进行渗流分析，坝体孔压示意图见图2。

图2 坝体孔压示意图

从图2中可以看出，坝体中建有混凝土防渗墙后，孔压发生了明显的变化。建立防渗墙前，坝体的浸润线从上游坡面到下游坡面为一条直线，建立防渗墙后，坝体的浸润线在防渗墙处发生了突变，坝体上游的孔压几乎没有变化，浸润线也没有明显变化，但坝体下游土体孔压减小，浸润线也相应的降低。从孔压示意图中可以看出，建立防渗墙后下游坝体的浸润线明显降低，必然会对坝体稳定性产生影响。

3.2 应力分析

利用ABAQUS对建立防渗墙前后的坝坡进行应力分析，坝体竖向应力分析见图3。

图3 坝体竖向应力分析图

从图3中可以看出，建立防渗墙前，坝坡的竖向应力几乎为对称分布，建立防渗墙后，上下游坝坡的竖向应力有明显差异，但总体应力大小相差较小，最大应力均在坝坡底部，对中部岩土体的应力无明显影响。

4 防渗墙对坝坡稳定性的影响

利用有限元强度折减法分析坝坡稳定性时，通过对岩土体的抗剪强度中的黏聚力和内摩擦角进行折减，直至其坡体达到极限平衡状态，但这种极限状态有很多种判定标准，例如塑性区是否贯通、计算时是否达到收敛状态、滑体位移等，针对不同的坡体如果假定条件不同，其判定标准也不同。从上述防渗墙对坝坡的渗流和应力分析可得知，防渗墙的建立主要对下游坝坡的渗流造成影响，因此该文将从塑性区贯通、坡顶位移和计算不收敛3个方面对正常蓄水时的下游坝坡稳定性进行分析。

4.1 建立防渗墙前

建立防渗墙前，利用有限元强度折减法分析下游坝体的稳定性。建立防渗墙前的下游坝体塑性区贯通分析、下游坝体坡顶位移分析、下游坝体计算不收敛时位移分析见图4。

图4 建立防渗墙前下游坝体分析示意图

从图4（a）中可以得知，塑性贯通区剪出口到达上游坝坡位置，整个贯通区域为典型的圆弧形滑面，坝体塑性贯通时安全系数为1.31；图4（b）中可知，坡体安全系数为1.27时，坡体位移出现急剧变化，说明此时滑体到达屈服状态，最终发生失稳破坏时安全系数为1.32；图4（c）中可知，滑带为圆弧形滑面，坡脚位置出现应力集中现在，土体自身发生了变形，计算不收敛时下游坝体安全系数为1.32。

4.2 建立防渗墙后

建立防渗墙后，利用有限元强度折减法分析下游坝体的稳定性。建立防渗墙后的下游坝体塑性区贯通分析、下游坝体坡顶位移分析、下游坝体计算收敛时位移分析分别见图5。

图5 建立防渗墙后下游坝体分析示范图

从图5（a）得知，坝体的塑性贯通未超过防渗墙，坝体在坡脚出现应力集中现象，沿着防渗墙发生滑移破坏，坝体塑性贯通时安全系数为1.44；从图5（b）可知，坡体安全系数为1.43时，坡体位移出现急剧变化，说明此时滑体到达屈服状态，最终发生失稳破坏时安全系数为1.44；图5（c）可知，滑带为圆弧形滑面，坡脚位置出现应力集中现在，土体自身发生了变形。

4.3 安全系数比较

建防渗墙前后下游坝坡在3种不同的判据下的计算安全系数见表2。

表2 建防渗墙前后下游坝坡安全系数比较

坝体蓄水条件下，利用有限元强度折减法，采用3种不同的判据，对下游坝坡在建立防渗墙前后进行稳定性分析，结果见表2。3种判别计算得到的坝体安全系数相差较小，3种判别方法具有一致性，建立防渗墙后下游坝体的安全系数明显增加，稳定性明显提高。这是由于建立防渗墙后，防渗墙对孔隙水压力有抵挡作用，减少了大部分上游坝坡的孔隙水压力传递到下游坝坡，因此坝体下游土体孔压减小，下游坝坡的浸润线明显降低，而在水渗流的坡体中，浸润线越低，坝体安全系数越高，浸润线越高，坡体安全系数越低。建立防渗墙后，下游坝坡稳定性明显提高。

5 结论

利用有限元ABAQUS软件，对带混凝土防渗墙的坝体进行分析，对建立防渗墙前后的坝坡进行渗流和稳定性影响分析，得出如下结论。

1）建立防渗墙后，坝体的浸润线在防渗墙处发生了突变，坝体上游的孔压几乎没有变化，浸润线也没有明显变化，但坝体下游土体孔压减小，浸润线也相应的降低。建立防渗墙后，上下游坝坡的竖向应力有明显差异，但总体应力大小相差较小，最大应力均在坝坡底部，对中部岩土体的应力无明显影响。

2）采用3种不同的判据（塑性区贯通、坡顶位移、计算不收敛），对下游坝坡在建立防渗墙前后进行稳定性分析。结果表明，3种判据计算得到的坝体安全系数相差较小，建立防渗墙后下游坝体的稳定性明显提高。