土石坝放水涵管在不同工况下的渗流分析

王亚辉

(北票市龙潭水库管理处，辽宁 北票 122124)

土石坝在实际工程中的应用非常广泛，它具有施工简便、工程造价低、可就地取材等很多优点，随着土石坝的普遍应用，在工程建设方面占据着很重要的地位。坝下涵管由于位置较为隐蔽，常造成突发性灾害，且抢险难度较大，涵管问题的出现主要是由设计、施工和管理等原因造成的。

在20世纪的50—70年代，我国处在大力发展工程建设的阶段，由于缺少精准的设计图纸和专业的施工队伍，使工程整体质量降低，坝内涵管出现了很多的渗漏问题。近年来在很多新建的土石坝中也出现了坝下涵管渗漏的现象，而坝下涵管的防渗又关系到土石坝的整体稳定，可知坝下涵管的渗漏问题在土石坝中仍然是急需解决的问题[1-6]。

1 基于ABAQUS渗流分析方法在土石坝中的应用

1.1 工程概况及计算模型

1.1.1 工程概况

本论文研究的土石坝，主河道长度为0.71km，流域面积0.288km2，坝顶高程为83.7m。坝址含有淤泥质黏土、壤土、黏土和细沙，是一个综合性质的小型水利工程，同时具有灌溉、防洪和养殖的作用，设计灌溉耕地面积为800亩。

1.1.2 计算模型

(1)模型材料参数。主要研究坝下涵管截水环在不同位置时渗流场的变化规律。选取Mohr-Coulomb模型，埋管采用的是线弹性模型，所需的模型参数根据经验获取，计算模型材料参数见表1。

表1 计算模型材料参数

(2)计算工况分3种。①涵管无截水环布置；②涵管有两个截水环，截水环不与斜墙交接；③涵管有两个截水环，任一截水环与斜墙交接。

1.2 不同工况条件下的渗流分析

大坝类型为黏土斜墙土石坝，如图1所示。大坝具体参数如图中所示，为了研究坝下涵管周围渗流场的渗流情况，建立了坝体与截水环渗流的模型。

图1 土石坝横断面图

1.2.1 涵管不设截水环坝体渗流分析

本文使用ABAQUS有限元软件对涵管渗流进行模拟分析，考虑到坝体岸坡的非重要性和软件运算效率的问题，只对坝体本身和地基层进行了有限元模拟，得到的孔隙水压力云图如图2所示。

图2 渗流孔隙水压力云图

因为坝下涵管和坝体土料之间的接触为土体和刚体接触，所以在该接触面位置很容易产生集中渗流出口，因此在分析中我们应该着重关注涵管周围土体的渗流流速、渗流孔压和渗透比降等变量。现将涵管顶部的中心线从上游到下游为路径，周围土体的孔隙水压力如图3所示。

图3 涵管顶部土体孔隙水压力变化图

由图3可以看出，涵管周围土体的孔隙水压力总体上呈现从上游至下游逐渐减小的趋势。

又针对涵管顶部的渗流流速，将涵管顶部中心线位置处从上游至下游的位置处的渗流流速如图4所示。

由达西定律可知，土体的渗透流速和渗透比降呈正比例的关系，可得土体的渗透坡降为。所以土体的渗透坡降和渗流流速有很大的关系，可得宦官顶部的土体渗透坡降如图5所示。

图4 涵管顶部渗流流速变化图

图5 涵管顶部土体渗透坡降变化图

从图4能够看出，涵管顶部位置的渗流流速总体上呈现增大的趋势，但是其增大的趋势并不是一成不变的，增大的速率在一定范围内保持稳定，接着速率发生变化，土体的渗流速度在下游的末端达到最大值。从图5得出，涵管顶部的土体渗透坡降符合“上截下排”的规律，总体上呈现从上游至下游逐渐增大的趋势，在出水口的位置渗透坡降达到最大值，所以在下游位置为了防止渗透破坏常常布置反滤层。

1.2.2 两截水环与斜墙均无交接时渗流场分析

根据达西定律可得，涵管顶部的土体渗透坡降如图6所示。

图6 斜墙交接处无截水环时涵管顶部渗透坡降曲线图

如图6所示，渗透坡降在截水环处出现较大的波动，涵管周围土体在坡降变化方面总体上呈现逐渐增大的趋势，并且，在25m涵管下游的部分，土体的渗透坡降速率明显增大。

大坝坝体内共布置14根涵管(每根涵管3米)。考虑到了大坝上游的坝坡比为1∶2.5，于是从防渗体外第一根涵管处开始布置截水环(数量为2个)，布置在涵节中间。涵管顶部土体从上游至下游渗流流速如图7所示。可知涵管周围的土体在涵管顶部中心线从上游至下游总体上呈现逐渐增大的趋势，这能说明为了防止集中渗流现象的发生，在涵管周围采取适当的措施是很有必要的。

在涵管方向上，增加涵管的截水环数量，从第3根涵管开始，将截水环布置在涵管的中间，涵管顶部土体中的孔隙水压力图如图8所示。可知布置了截水环的涵管，其周围的土体的渗流孔压在涵管顶部中心位置处从上游至下游总体上呈现逐渐减小的趋势。

1.2.3 任一截水环与黏土斜墙交接时渗流场分析

为了更好的分析交接处截水环对渗流场的影响，决定将两个截水环中的一个布置在斜墙和涵管的交接位置处。为了能够更好的比较交接处截水环的作用，得到任一截水环与黏土斜墙交接时的渗流流速如图7所示。

图7 任一截水环与黏土斜墙交接时涵管顶部渗流流速对比图

图7中，系列1代表斜墙与涵管交接处没有截水环时涵管顶部的渗流速度，系列2代表的是斜墙与涵管交接处布置截水环时涵管顶部的渗流速度。图中可以看出，两个曲线的变化规律总体上呈现相似的规律，在截水环的位置处渗流流速都出现了明显的变化，截水环的布置，能够减小渗流的速度，并且在下游的部位布置截水环对坝体的整体稳定起到一定的作用。

将增加截水环前后的孔压数据绘制成曲线图，如图8所示。

图8 任一截水环与黏土斜墙交接时涵管顶部渗流孔压

图8中，系列1代表的是斜墙与涵管交接处没有截水环时的孔压变化，系列2代表的是斜墙与涵管交接处布置截水环时的孔压变化；从图中可以很明显的看出，系列1和系列2相似程度很好，基本上达到重合的效果，可见在斜墙与涵管交接处布置截水环对涵管周围土体的孔压几乎不产生影响。

斜墙与涵管交接处布置截水环前后涵管周围土体的渗透坡降图如图9所示。

图9 斜墙交接处有截水环时涵管顶部渗透坡降曲线对比

由图9中可以看出，在斜墙与涵管的交接处布置截水环，使得渗透坡降明显降低，在截水环的位置渗透坡降都出现了明显的波动，可知在斜墙与涵管的交接处布置截水环对渗透坡降有很好的效果。

1.3 三种工况下渗流场分析对比

本文主要针对坝下涵管周围土体渗流场的渗流速度、孔压和渗透坡降三方面进行研究，将涵管无截水环、有两截水环不与斜墙交接和任一截水环与斜墙交接的3种工况进行分析，得出渗流流速、孔压和渗透坡降的规律如图10—12所示。

图10 不同工况时渗流流速

图11 不同工况时孔隙水压力

图10—12中，系列1代表涵管无截水环的工况，系列2代表有两个截水环但是截水环不与斜墙交接的工况，系列3代表任一截水环与斜墙交接工况。从3个图中可以看出：在斜墙交接位置布置截水环能够使渗流场更加稳定，有利于坝体的整体稳定；截水环对涵管周围土体中的孔隙水压力基本上不产生任何影响；截水环对涵管周围土体的渗透坡降起到一定的作用，并且周围土体的渗透坡降呈现的规律变化与渗流流速基本一致。

2 结语

本文利用有限元软件ABAQUS，研究坝下涵管处有无截水环和截水环不同位置处对涵管周围土体的渗流影响，主要研究内容如下：

图12 不同工况时渗透坡降

(1)本文基于涵管无截水环、涵管有两个截水环但是不与斜墙交接和两个截水环中任一个截水环与斜墙交接3种工况，对3种工况下的渗流速度、孔压和渗流坡降3个指标在涵管周围土体的变化。

(2)比较3个指标对3种工况下防渗效果的影响程度，提出了应该在涵管与斜墙的交界处布置截水环的建议，对实际工程提供理论依据。