基于Midas的不同土石坝防渗体系效果分析

彭 昆，马雅丽

(武汉珞珈山水设计咨询有限公司，武汉 430000)

1 概 述

相比于混凝土坝，土石坝坝身不能过水，因此需要有良好的防渗设施控制渗流。土石坝坝体常用的防渗设施有心墙和斜心墙，坝基防渗设施有水平防渗铺盖和垂直防渗墙[1-3]，每种防渗体系适用的地质条件有较大差别，防渗效果也有一定的差异，很多工程[4-6]在设计时对防渗墙、劈裂灌浆、斜墙等防渗措施进行了方案计算比选，从而确定最优的防渗方案。在土石坝渗流计算方法中，有限元数值模拟能较为准确直观地计算土石坝渗流情况[7-8]，工程上针对土石坝防渗墙的参数对渗流影响情况的数值模拟研究较多[9-11]，但是针对斜心墙、水平铺盖等几种常用防渗措施的防渗机理及其防渗效果并没有作深入比较研究。因此，本文将分别对土石坝常用的心墙+混凝土防渗墙、斜心墙+水平铺盖两种土石坝防渗体系进行渗流计算，分析比较每种防渗体系的防渗效果和机理，以期为类似工程提供参考。

2 有限元渗流计算原理和计算模型

2.1 渗流计算原理

土石坝的渗流遵循达西定律[12]，达西定律微分方程见式(1)。

(1)

式中：υx，υy，υz分别为X，Y，Z方向的渗流流速，m/s；kx，ky，kz分别为X，Y，Z方向的渗流系数，cm/s；h为测压管水头，m。

不可压缩液体的连续性方程为：

(2)

将式(1)带入式(2)中，可得稳定渗流下的土石坝渗流微分方程：

(3)

假设土体各项同性，即kx=ky=kz，将式(3)化简可得：

(4)

土石坝渗流边界示意图见图1。

图1中，H1为上游稳定的正常蓄水位，H2为下游坝坡水位，下游坝坡渗流出漏点高度为y。

图1 土石坝渗流边界示意图

2.2 渗流计算模型

本文采用Midas gts nx 有限元软件对两种不同体系的土石坝进行渗流分析。坝顶高程为650 m，坝体高度为50 m，正常蓄水位548 m，上游坝坡坡度为1∶1.5，下游坝坡坡度为1∶2.0，为自由渗流面。计算模型长度取值600 m，地基的计算深度取值58 m。其中，覆盖层厚约20 m，斜心墙顶部宽度为3 m，底部宽度5 m；心墙顶部宽度为3 m，底部宽度8 m，水平铺盖端部厚度为2 m，末端厚度为5 m，混凝土防渗墙厚度为2 m，深度为30 m。计算模型剖面图见图2、图3。

图2 斜心墙+水平铺盖防渗体系土石坝剖面图

图3 心墙+混凝土防渗墙防渗体系土石坝剖面图

有限元计算参数见表1，计算采用的本构模型为Mohr-Coulomb。

表1 有限元计算参数表

3 有限元计算结果分析

3.1 渗流压力水头分析

图4为两种防渗体系下坝体内部压力水头云图。从图4中可知，两种防渗体系均起到了减小坝体内部水头压力的作用。其中，斜心墙+水平铺盖防渗体系下，坝体在斜心墙两侧水头分别为100和74 m，差值约为28 m，约占上游坝体水头的28%； 心墙+混凝土防渗墙体系下，心墙两侧水头分别为92和58 m，差值为34 m，约占上游坝体水头的37%。

图4 坝体压力水头云图

3.2 渗径分析

图5为不同防渗体系下土石坝渗径云图。从图5中可以看出，斜心墙+水平铺盖防渗体系下，土石坝的渗径在坝体中经过斜心墙先上升再急剧下降，在地基中几乎成水平向下游渗透，渗径长度较长，而水头差较小，库水在下游坝面靠近地基位置处渗出；在心墙+混凝土防渗墙防渗体系下，土石坝渗径在坝体中经过心墙之后，水头急剧下降，在地基中绕过混凝土防渗墙，说明混凝土防渗墙对阻断渗径、减小坝基渗透起到较为明显的作用。渗径长度较短，但是水头差较大，库水在下游靠近坝面的基地表面渗出。

图5 不同防渗体系下土石坝渗径

3.3 浸润线分析

图6为两种防渗体系下土石坝的浸润线。从图6中可知，浸润线在经过心墙和斜心墙后急剧下降，斜心墙由于位置靠近坝体上游，因此整个坝体浸润线较低；而心墙土石坝由于心墙位置在坝体中部，因此浸润线较高的坝段较长。由此可知，斜心墙对于降低整个坝体的浸润线效果更加显著。

图6 不同防渗体系下土石坝浸润线

3.4 渗流量分析

表2为两种不同防渗体系下土石坝单宽渗流量统计表。从表2中可知，由于坝体中有防渗体存在，两种防渗体系下坝体中的渗流量均小于地基中的渗流量。由于心墙+防渗墙防渗体系能够有效阻断渗径，而坝体上游的水平铺盖只能起到延长渗径的作用，因此其坝体和地基渗流量均要小于斜心墙+水平铺盖防渗体系下坝体和地基的渗流量。

表2 土石坝单宽渗流量统计表

4 结 论

通过Midas gts nx有限元软件对两种防渗体系进行了渗流模拟计算，比较两种防渗体系的防渗效果和防渗机理，主要结论如下：

1) 心墙+混凝土防渗墙体系相比斜心墙+水平铺盖更能有效阻断渗径，而斜心墙+水平铺盖防渗体系比心墙+混凝土防渗体系的渗径更长，但是渗径上的水头差更小。

2) 斜心墙在土石坝坝体中的位置更加靠前，因此较心墙土石坝而言其更能有效降低整个坝体浸润线高度。

3) 两种防渗体系下，坝体的单宽渗流量均大于地基中的渗流量，而心墙+混凝土防渗墙防渗体系下坝体和地基中的渗流量更小，防渗效果更好。