库水位变动对心墙坝渗流特性影响及防渗措施研究

马明瑞 张继勋 郁舒阳 钟 萍

(1.河海大学 水利水电学院，南京 210098；2.南水北调东线总公司，北京 100029)

土石坝渗流特性和稳定性分析一直是国内外相关学者所研究的工程科学问题.渗流控制方案的合理优化直接关系到水库大坝的正常运行与工程投资[1].对于一项土石坝工程，其安全稳定性很大程度上取决于是否进行了正确的渗流分析以及是否采用了合适的渗控措施[2]，而库水位的变动常常是影响土石坝稳定的重要因素[3]，库水位的变动会影响土石坝的渗透稳定性，主要表现于浸润线高程的变化、土体强度参数的变化和有效应力的变化，同时伴随着对土石坝上游坝坡应力状态的影响.库水位变动引起的土石坝坝坡失稳会带来巨大的灾难，因此有必要对库水位变动条件下的坝体渗流特性及稳定性进行研究.

关于土石坝渗流问题，已有很多学者做过相关的研究；李子阳[4]等根据非饱和渗流有限元分析方法研究了旱涝急转条件下土石坝渗流特性分析及安全控制.汪小刚[5]分析了含砾心墙土渗透特性受密度等因素的影响规律，构建了含砾心墙土非线性渗透模型，在此基础上探讨了心墙高孔隙水压力的形成机制及其对大坝的安全的影响.张继勋、郁舒阳[6]等研究了不同降雨类型对浅层及深层滑动面渗流特性及边坡稳定性的影响.目前关于土石坝渗流的研究已较多，但主要集中于水位骤降条件下的土石坝渗流、稳定特性分析等方面，而对水位骤升条件下的渗流特性、渗流安全分析研究较少[7-9].

本文以某水库工程粘土心墙坝为实例采用非饱和理论，对土石坝运行期不同库水位条件下的渗流特性及上下游坝坡的渗透稳定性进行了分析研究；另外增加了防渗墙方案的比选，为实际工程的防渗加固及安全稳定运行提供了参考.

1 非饱和理论

1.1 非饱和渗流理论

非饱和渗流控制方程的形式为：

式中，kx、ky分别为x和y方向的渗流系数(m/d)；θ为饱和体积含水率(m3/m3)；t为时间(d)；Q为流量(m3/d)；H为总水头(m).

1.2 非饱和抗剪强度理论

根据双应力理论改写的非饱和土抗剪强度公式为[10]：

式中，c'为摩尔库伦破坏包线与剪应力轴的截距，在剪应力轴处的破坏净法向应力和基质吸力均为零；(σf-uw)f为破坏时在破坏面上的净法向应力状态；φ'为与净法向应力状态变量(σf-uw)f有关的内摩擦角(°)；(ua-uw)为基质吸力(kPa)；φb为与基质吸力有关的摩擦角(°).

1.3 边坡稳定安全系数计算公式

边坡稳定分析采用简化毕肖普法，安全系数求解公式为：

式中，Fs为等式两边均含此变量，用迭代法求得；c'i，bi为土体的黏聚力(k Pa)和土条宽度(m)；αi，φ'i为土条底部的倾斜角和土体内摩擦角(°)；Wi，ui为土条的重力(k N/m3)和孔隙水压力(k Pa).

mαi可以表示为：

2 计算模型

2.1 工程概况

此工程水库的正常水位175.00 m，死水位135 m，水库主坝为碾压式均质土坝，坝顶高程180.30 m，最大坝高53.62 m，坝顶长302 m，坝顶宽8.0 m，库容约3 880万m3.坝体上游坝坡坡度为1∶2.2，坝体下游综合坡度1∶2.2；排水棱体下游坡1∶2，上游和底部设4m厚的反滤层，上游坡比1∶1.5.心墙坝剖面分区如图1所示.

图1 心墙坝剖面分区

2.2 计算边界及网格划分

计算模型的边界设置为：

1)模型地基从坝基面取至不透水层，深度为140 m.

2)上游围堰至坝坡ih设为库水位变动边界，变化范围为135～175 m.变水头边界处理方法为：假设上游坡面水头是关于时间的函数，在某一时间点，如果某节点的高程高于该节点的水头值，则其边界流量为零.

3)上游坝坡h点至下游排水棱体e处hgfe、坝基iabc设为不透水边界，流量设置为0.

4)下游排水棱体处edc设为定水头边界，水头大小设置为105 m.

计算模型网格划分如图2所示，为准确模拟心墙处的浸润线变化，对心墙以及反滤层及过渡层部分的网格进行了细化，模型网格共划分为2 579个节点，2 357个单元.

图2 网格划分

2.3 计算参数及计算工况

2.3.1 基本初始参数

计算参数根据粘土心墙坝现场勘测及室内试验综合确定，分区的物理力学参数见表1.

表1 坝体和坝基力学参数

2.3.2 土水特征曲线

由于非饱和渗流原理计算需要得知材料的土水特征曲线，根据Fredlund-Xing模型估算，已知材料的饱和渗透系数及饱和体积含水率，便可估算出土水特征曲线；不同分区土水特征曲线如图3所示.

图3 土水特征曲线

为研究不同防渗方案下粘土心墙坝在水位变动工况下的渗流稳定特性，分析了不同防渗墙深度下(30 m、40 m、50 m)库水位从135 m升高至175 m情况下的浸润线变化、渗漏量、上下游坝坡安全系数变化情况(以此来判断坝坡稳定性).其中，库水位骤升速率取0.5 m/d、1 m/d、2 m/d；计算方案列于表2.

表2 计算方案

3 计算结果分析

3.1 渗流分析

30m防渗墙下不同库水位高程的浸润线、库水位骤升工况下的浸润线变化如图4～5所示.

图4 30m防渗墙不同库水位浸润线

图5 30m防渗墙库水位骤升浸润线

由图可知：静库水位条件下，库水位由高到低浸润线分布规律基本相同，心墙上游及心墙下游浸润线基本水平，而在心墙内浸润线有大幅度的“降落”，说明心墙阻水效果明显.库水位越低浸润线也越低；下游浸润线较上游密集，即上游浸润线随库水位的不同变化幅度大于下游.

库水位在不同速率下骤升时的浸润线分布规律与静水位条件下的浸润线分布规律有很大的区别；心墙上游边界处，浸润线有明显“突降”的效果，高水位情况下的浸润线与低水位情况下的浸润线在心墙内聚拢；下游堆石处的浸润线分布规律与静水位条件下的浸润线分布规律相同，不同速率骤升条件下的浸润线均比较密集地分布.

3.2 不同库水位3种防渗墙深度下的渗漏量

不同库水位条件下3种防渗墙深度对应的渗漏量结果列于图6.由图6可见：水库渗漏量与库水位呈正相关，库水位水平越高渗漏量越大；而渗漏量与防渗墙深度呈负相关，防渗墙深度越大，渗漏量越小，说明了防渗墙深度越大阻水效应越明显.

图6 不同库水位水平下不同防渗墙深度下的坝体渗漏量

3.3 稳定性分析

由工程概况得知本工程土石坝为1级建筑物，坝坡稳定性根据《土石坝设计规范》

[11]“正常运行状况下坝坡稳定安全系数应大于1.5，而临时运作条件下坝坡稳定安全系数应大于1.3”进行判定.本文非稳定渗流采用非饱和抗剪强度理论进行分析，使用了有限元软件geostudio进行计算分析；两种工况下的上下游坝坡安全系数列于图7、图8.

工况1：由图7可知，上游坝坡安全系数和库水位成正相关，而下游坝坡的安全系数与库水位成负相关；防渗墙深度越大上下游坝坡安全系数越大.上游坝坡安全系数最小值在3种防渗墙深度下均大于1.6，下游坝坡安全系数最小值只有在防渗墙深度大于50 m时大于1.3；说明上游坝坡在3种防渗墙深度下均处于稳定状态，而下游坝坡只有在防渗墙深度大于50 m时才处于稳定状态.

图7 不同库水位水平下的安全系数

图8 库水位骤升情况下不同防渗墙深度安全系数

工况2：由图8可知，对于3种防渗方案，上游坝坡安全系数初始值均大于1.7，且随库水位升高逐渐增大，库水位骤升至最高时安全系数达到最大值；下游坝坡安全系数随库水位升高逐渐减小，库水位骤升至最高时安全系数减至最小值；同时只有防渗墙深度达到50 m时，下游坝坡的最小安全系数才满足规范要求，即大于1.3.

根据对两种计算方案的研究分析，建议本工程的防渗墙深度取为50 m.

4 结 论

本文根据非饱和渗流理论，采用二维有限元分析，对粘土心墙坝在库水位变动下的坝体内部浸润线、渗漏量及上下游坝坡的渗透安全稳定性进行了分析，并且进行了防渗墙方案的比选，总结出以下结论：

1)渗流非饱和原理是研究土石坝渗透稳定问题比较合理的理论方法.

2)相同防渗墙深度下，库水位越高渗漏量越大；相同工况下，防渗墙深度越大则渗漏量越小.

3)对粘土心墙坝，库水位越低，浸润线也越低；心墙处浸润线下降较陡，表明粘土心墙阻水效果明显.

4)不同库水位条件下，库水位越低，上游安全系数越小，下游安全系数越大；库水位骤升条件下，库水位骤升速率越快，上游安全系数越大，下游安全系数则越小；防渗墙深度对下游坝坡安全系数的影响要大于上游.

5)根据3种防渗方案的比选，建议本工程的防渗墙深度取为50 m.