不同排水方案下均质土坝渗流及坝坡稳定性有限元仿真

张 寅 寅

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，兰州 730000)

0 引 言

土坝因其具有可就地取材及对坝基工程地质条件要求低等优点而在实际中为一种被普遍使用的坝型。在土坝研究中，土坝的安全一直是人们关注的重点，而渗流是威胁土坝安全的主要因素之一，因此土坝的渗流问题越来越引起人们的关注[1]。1993年青海沟后水库失事事件就是由于大坝排水不畅，致使浸润线很高，坝顶几乎完全饱和，导致最后土坝失稳破坏[2,3]。因此有必要针对不同排水设计在不同典型工况的运行进行坝体渗流稳定分析，以便为水库大坝渗流与排水设计提供参考。

本文以甘肃灵台县新集水库为研究对象，初选坝后贴坡式、坝体内竖式和坝后棱体三种排水形式。其中，贴坡式排水投资较低，施工简单，易于检修，但坝体大部分处于饱和湿润状态，不利于大坝安全；根据《碾压式土石坝设计规范》[4]，竖式排水能有效降低浸润线，尤其适用于因土体分层碾压形成的局部水平渗水通道，但施工难度相对较大，检修较困难；棱体排水能有效降低浸润线，适用面较广，但需要级配砂砾石和块石较多，投资相应较高。因此，本文选择土坝运行的不同典型工况，对三种排水方案进行有限元仿真，对大坝渗流、渗透及坝坡稳定进行计算与分析研究，综合技术经济考虑提出了建议的排水形式。

1 工程概况

新集水库位于甘肃省灵台县达溪河干流，坝址距县城约26 km，总库容3 218 万m3，为中型Ⅲ等水库工程，大坝等主要建筑物为3级。拦河大坝为混凝土重力坝泄洪与均质土坝挡水相结合的混合坝型。大坝校核洪水位为1 066.30 m，设计洪水位与正常蓄水位均为1 065.10 m。坝顶高程1 068.50 m，坝基置于弱风化岩体上部，最大坝高39.5 m，坝顶总长758 m，其中均质土坝段长515 m，坝顶宽8 m，坝体上游坝坡自上而下分别为1∶3.0、1∶3.5，采用现浇混凝土板护面，下铺0.8 m厚砂砾石垫层，下游坝坡自上而下分别为1∶2.75、1∶3.0，采用混凝土网格草皮护坡。

工程区土料分布广泛，储量丰富，本着“因地制宜、就地取材”的筑坝材料选择基本原则[4]，515 m长的挡水坝段采用当地壤土筑坝。坝体土料总填筑量约249 万m3，根据室内土物理力学性质试验成果，土体物理力学性质试验参数(见表1)与质量技术指标均满足规范规定，符合筑坝要求。

根据《碾压式土石坝设计规范》坝体排水形式选择的相关规定及《水工设计手册》[5]第6卷土石坝1.6.8章节关于坝体排水的论述，结合本工程坝体下游水位较高和填筑材料的渗透特性，综合考虑采用坝后贴坡式、坝体内竖式和坝后棱体等三种排水形式。除坝体壤土外的其余材料参数均参考《设计手册》，具体取值详见表1。

表1 模型材料分区特性参数Tab.1 Characteristic parameters of material in different zones of earth dam

2 分析理论、模型及工况

2.1 分析理论及方法

渗流场计算分析考虑二维稳定渗流问题，故在考虑定解条件时，只需要考虑第一类和第二类边界条件。

第一类边界条件(水头边界条件)为：

h(x,y)|Γ1=f(x,y)

式中：Γ1为第一类边界；h为水头函数；f(x,y)为已知水头。

第二类边界条件(流量边界条件)为：

考虑到各向异性时，可以写为：

式中：Γ2为第二类边界；n为Γ2的外法线方向；q0为已知流量。

渗流场由上式所确定的二维渗流场模型进行模拟。

根据《碾压式土石坝设计规范》，坝坡抗滑稳定计算应采用刚体极限平衡法。对于均质坝，宜采用计及条块间作用力的简化毕肖普法。该法计算简单，精确度和准确度满足工程要求，是当前水利工程稳定性计算最常用的方法。因此本工程坝坡抗滑稳定计算采用简化毕肖普法。

2.2 模型及工况

选取土坝段大坝最高断面作为本次研究的典型剖面，分别建立三种排水形式的二维有限元模型，如图1所示。模型上下游长度取约2倍坝高，基础深度自建基面向下取1倍坝高，模型包括影响计算域渗流场的主要边界范围[6]。边界条件设定基础底部和模型上下游边界均为不透水边界；水位以下河床均视为已知水头边界；位于河床以上地表均按可按逸出面处理，但实际逸出面通过分析经迭代确定。模型材料分区特性参数经试验得到，具体如表1所列。

根据《碾压式土石坝设计规范》规定，渗流及坝坡稳定计算考虑Ⅰ～Ⅲ共3种最不利工况，各工况相应水位如表2所列。

表2 模型工况Tab.2 Typical unfavorable working conditions of model

图1 均质土坝二维有限元模型网格Fig.1 Grid of two-dimensional finite element model of homogeneous earth dam

3 渗流分析研究

3.1 渗流场

经有限元仿真计算研究，大坝坝体典型浸润线及等势线如图2所示。

大坝渗流场有限元仿真分析研究结论：①棱体和竖式两种排水方案下游浸润线基本水平，表明均对坝体浸润线跌落的作用明显，排渗效果较好；贴坡排水方案排渗效果相对较差。②竖式排水形式渗流等势线分布更为密集，表明坝体渗流流速相对较大，对坝体内部渗透稳定不利。

3.2 渗流量

选取坝基帷幕中线所在断面为截面，对不同工况渗流量进行仿真计算研究。工况I及工况II渗流量统计如表3所列，工况III水位下降过程渗流量过程如图3所示。

图2 大坝坝体典型浸润线及等势线Fig.2 Typical phreatic lines and isopotential lines of the dam body

表3 工况Ⅰ及工况Ⅱ渗流量统计 m3/(d·m)

有限元仿真分析研究表明：竖式排水渗流量最大，效果最佳；棱体排水渗流量次之，效果尚可；贴坡排水渗流量最小，效果相对较差。工况II上下游水位差大于工况I，其渗透流量大于工况Ⅰ。

3.3 渗透坡降

分别对工况Ⅰ及工况Ⅱ大坝坝体渗透坡降进行有限元仿真分析研究，两种工况渗透坡降分布云如图4所示。

图4 工况Ⅰ及工况Ⅱ渗透坡降分布云Fig.4 Infiltration gradient distribution under working condition Ⅰ and Ⅱ

大坝渗透坡降有限元仿真分析研究结论：由图4可知：①工况Ⅰ与工况Ⅱ渗透坡降分布总体相近，但工况II量值稍大于工况Ⅰ。②工况Ⅱ竖式排水方案上游坝体渗透坡降较大，数值为0.6～0.8；棱体排水和贴坡排水方案渗透坡降较小，数值为0.3～0.6；三种排水方案渗透坡降的最大值均出现在坝内部坝基处，均小于壤土允许渗透坡降值4～5[7]，不会产生管涌及流土等渗透破坏。渗透计算分析结论与牛文杰等人针对不透水地基上均质土坝渗流自由面的有限元计算的结论一致[8]。

4 坝坡稳定分析研究

4.1 校核及正常蓄水位工况

大坝坝坡抗滑稳定安全有限元仿真计算方法参考《土质边坡稳定分析-原理.方法.程序》[9]，坝坡抗滑稳定安全计算成果如表4所列，典型坝坡滑动面如图5所示。

大坝校核及正常蓄水位工况有限元仿真分析研究结论：①大坝坝坡安全稳定系数均大于规范允许值，且上游坝坡富余量较大。②竖式排水坝坡安全系数最大，稳定性最好，棱体排水次之，贴坡排水安全系数相对较低。

表4 大坝坝坡抗滑稳定安全系数Tab.4 Safety factor of anti-slip stability of dam slope

4.2 库水位降落工况

各排水方案库水位降落期大坝上游坝坡稳定安全系数变化过程如图6所示。

图5 大坝坝坡典型滑动面Fig.5 Typical sliding surface of dam slope

图6 工况Ⅲ大坝上游坝坡最小安全系数过程Fig.6 Minimum safety factor process of dam upstream dam slope under working condition Ⅲ

有限元仿真分析研究结论：①随库水位降落，各排水方案上游坝坡稳定安全系数先行一定幅度增加，然后快速减小至最小安全系数，之后随坝内渗流场的缓慢调整，出现小幅稳定增长。②库水位降落期间，各排水方案上游坝坡稳定均满足规范要求。③竖式排水方案上游坝坡稳定安全系数均值及最小值相对最大；棱体排水其次；贴坡排水最小。其中，库水位降落的趋势和规律与安民等人针对库水位升降对均质土坝坝坡稳定影响[10]及张伟民等针对土坝在水库水位下降期的滑坡机理[11]的结论一致。

5 竖式排水方案失效分析

分析研究表明，竖式排水降低浸润线效果明显，坝坡稳定安全系数较高，但施工难度大，质量不易保证，运行期一旦排水体失效，易造成坝体内部缺陷，且检修非常困难。因此，通过竖式排水的特性参数敏感性分析，研究部分失效或完全失效对大坝渗流及坝坡稳定的影响。

5.1 特性参数设定

通过降低竖式排水区的渗透系数，分析研究部分失效和全部失效对大坝渗流及坝坡稳定的影响，参数设置如表5所列。

5.2 分析研究

分别对4种情况进行典型断面二维有限元仿真渗流与稳定性分析研究，大坝坡抗滑稳定安全系数如表6所列。

有限元仿真分析研究结论：①随竖直排水区渗透系数降低，坝体浸润线逐渐抬高，坝坡抗滑稳定安全系数逐渐降低。②当竖式排水部分失效时，正常蓄水位坝坡抗滑稳定安全系数由3.713及1.883分别降低至3.618和1.772，稳定性较棱体排水方案差。③当竖式排水完全失效时，正常蓄水位坝坡抗滑稳定安全系数由3.713及1.883分别降低至3.538和1.735，稳定安全性均低于棱体排水方案。④综合分析，若运行期竖式排水体部分失效或完全失效，则坝体浸润线将产生较大抬升，下游坝坡抗滑稳定安全系数可能低于棱体排水方案。

表5 竖式排水区渗透参数设置Tab.5 Infiltration parameter of well drainage within the dam

表6 坝坡抗滑稳定安全系数Tab.6 Safety factor of anti-slip stability of dam slope

6 结 论

(1)从有限元仿真计算成果分析，三种型式排水措施均有效，坝坡安全稳定系数均满足规范要求，但排水效果、坝坡安全系数均有一定差别。从坝坡稳定方面比较，各种工况下，竖式排水安全系数均最大(如工况II下，上游坝坡3.713、下游坝坡1.883)，棱体排水次之(3.662、1.825)，贴坡排水最小(3.445、1.727)。从渗流方面比较，各种工况下，竖式排水对坝体浸润线跌落作用最明显，渗流量最大[工况Ⅱ下0.288 9 m3/(d·m)]，渗透坡降最陡(工况Ⅱ下数值0.6～0.8)，排水效果最佳；棱体排水效果次之[渗流量0.259 8 m3/(d·m)、渗透坡降0.3～0.6]；贴坡排水相对较差[渗流量0.210 8 m3/(d·m)、渗透坡降0.3～0.6]。

(2)分析结果表明竖式排水最能有效降低浸润线，坝坡安全稳定系数最大，排水效果最佳；在施工质量有保障的情况下，可优先选择竖式排水型式。但从竖式排水体部分失效或完全失效后情况分析，排水体失效后，坝体浸润线将出现较大抬升，下游坝坡抗滑稳定安全系数可能出现低于棱体排水方案的情况(部分失效后降为3.618和1.772，完全失效后降为3.538和1.735)。考虑到中、大型水库，大坝的长期安全运行可靠性，不建议推荐竖式排水。

(3)相对于竖式排水和棱体排水，贴坡排水渗流及坝坡稳定均较差。但施工简单，投资较低，且易于检修。工程实践中，在低坝上采用较多。

(4)新集水库总库容3218 万m3，坝高39.5m，为中型Ⅲ等水库工程，大坝安全和坝体结构长期可靠为重中之重，同时要考虑运行期易于检修、技术经济合理等多种因素。依据本次有限元仿真计算分析成果，遵照规范相关规定，并参考国内类似工程实例，对三种排水方案进行对比。结果表明棱体排水方案渗流稳定和坝体安全稳定性相对较高，排水效果相对较好，其长期安全运行可靠性高，施工相对容易。因此，最终确定新集水库均质土坝排水采用棱体排水方案。本文研究结果可为中小规模水库均质土坝渗流与排水设计提供良好借鉴。

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