库水升降对新疆阿勒泰地区某土石坝渗流影响的研究

宋兴亮

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

土石坝是一种以当地土石混合料为主要筑坝材料的大坝，由于取材方便、造价低廉的优势，世界各地都修筑有各种高度的土石坝，比如阿勒泰地区的小型土石坝修建得就比较多。与混凝土相比，土石混合体的耐久性、抗渗性等要逊色不少，所以土石坝渗流场受降雨、地下水和库水升降的影响比混凝土坝更敏感，因为渗流诱发土石坝破坏、溃坝的案例也更多。在大坝的实际运行中，库水水位在降雨、融雪融冰、蒸发和泄水的作用下会经常改变，库水上升时，土体的含水率、饱和度会增加，同时抗剪强度和粘聚力会降低，大坝整体性和抗滑性会削减，而库水下降时，土体孔隙水重新分布而改变坝体内力，坝体安全性同样会受到削减[1-3]。探究库水升降对土石坝渗流的影响具有一定研究意义，在这样的背景下，开展了对新疆阿勒泰地区某土石坝渗流受库水升降影响的研究。

1 非饱和渗流模型

本文在有限元软件GeoS tudio的中建立了土石坝渗流模型，将模型划分为若干网格单元，各单元之间通过节点连接，利用非饱和渗流理论求出各个单元的渗流方程，全部渗流方程联立求出的数值解，就是模型的渗流结果[4，5]。

1.1 基本假设

一般地，建立基于以下三个假设来建立渗流模型：(1)任意单位体积土体的水头损失一致；(2)任意过水断面上的渗流量相等；(3)任意水力作用面上的渗流压力相同。

1.2 渗流方程

达西定理是推导非饱和渗流方程的基础[6]，渗流在各方向上的达西公式可表示为：

(1)

由质量守恒定律可知，由于土体内单位水头损失造成的流量损失等于空隙释放的孔隙水量，该过程可表示为：

结合达西定理可得非饱和渗流场的方程为：

1.3 边界条件

确定渗流场的边界条件就能求解坝体的渗流结果，边界条件分为以下三类：

(1)水头边界，指的是模型边界的是水头压力分布，考虑水头的时变性，方程可写为：h|Γ1=f(x，y，z，t)

2 工程概况

土石坝所在的库区位于新疆阿勒泰山区，属于小流域管理水利设施，主要用于当地农业生产用水的供给，库区岩土结构分为两层，下层以云母花岗岩为主，断层裂隙发达且多为陡倾角，上层被厚度约为0.5～5 m的砂岩、砾岩覆盖。当地年降雨分布不均，干旱和山洪暴雨频发，水库蓄水增减变化明显，库水水位变化对土石坝的影响不容忽视。

3 土石坝模型

图1 土石坝二维模型

坝基网格采用四边形单元划分，坝体网格采用四边形单元和三角形单元组合划分，模型单元总数5 738，节点总数5 886。坝体材料物理参数如表1所示。

表1 坝体材料物理参数

4 计算结果

设置了不同工况来计算土石坝在定水位及库水不同升降速率下的渗流结果。

4.1 定水位的渗流结果

土石坝在定水位下的孔隙水压力分布情况如图2所示，工况1、2的水位条件如表2所示。

表2 工况1、2的水位设置

如图2所示，库水水位越高，通过心墙的渗流量越大，孔隙水压力等值线通过心墙后的下降程度越大，心墙抵御库水入渗的效果越明显，各工况下的心墙断面流量依次为7.3×10-8m3/s、3.7×10-7m3/s。库水水位越高，孔隙水压力峰值越大，库水下方基岩的孔隙水压力也更高，而且各工况下孔隙水压力峰值250 KPa、300 KPa均出现在大坝上游的基岩底部，土石坝发生管涌的可能性也随水位的增高而加大，说明库水水位越高，坝体稳定性越差。

图2 不同水位下的孔隙水压力分布图(KPa)

4.2 库水下降时的渗流结果

设定库水水位从校核水位1 098 m降至正常蓄水位1 088 m为初始条件，设置工况3、4来计算库水下降速率对渗流结果的影响，工况设置如表3所示。

表3 工况3、4的库水下降速率

从图3可看出，模型上游浸润线均呈现出向上突起的形状，坝体内自由水面的下降较库水下降要滞后，库水降速越快，滞后现象越明显，浸润线越弯曲。截至库水下降完全时，工况3、4对应上游浸润线净高度降至3.3

图3 坝体浸润线变化图

m、7 m，粘土心墙浸润线净高度也降至3.4 m、7.3 m，说明库水下降越快，坝体和心墙排水越滞后，坝体表层孔隙水压力消散速率较库水下降速率越慢，浸润线以下饱和土体对坝体产生的扬压力越大，上游坝体越容易滑动、失稳。下游浸润线在不同库水下降速率下基本不变，库水下降对其无影响。

4.3 库水上升时的渗流结果

设定库水水位从正常蓄水位1 088 m上升至校核水位1 098 m为初始条件，设置工况6来模拟库水上升速率对渗流结果的影响，工况设置如表5所示。

表5 工况5的库水上升速率

从图4可看出，库水从上游浸润线和淹水坝面向土石坝内部渗透，不同时刻的上游浸润线均呈下凹状，库水升速越快，浸润线下凹越明显，下游浸润线依然不受库水上升的影响。由于库水是由低往高加载的，浸润线以上的土体保持初始含水量，处于非饱和状态，土体状态在浸润线的包络下逐渐向饱和状态转变，这一转变过程比较缓慢，导致坝体内部浸润线高度相比库水高度的上升出现了滞后，且库水水位上升越快，其滞后越显著。非饱和土体含水量的增减会不断削减其抗剪强度和粘聚力，因此上游坝体的稳定性随库水上升不断降低。当库水上升完成并保持在校核水位直至第200天时，土石坝进入稳定渗流状态。

图4 坝体浸润线变化图

5 结语

对阿勒泰地区某土石坝在定水位及库水不同升降速率下的渗流模拟结果表明：

(1)粘土心墙能有效阻挡库水入渗，还能降低下游浸润线。库水降速越快，上游浸润线的变化越滞后，坝体含水量分布越不均，引发的扬压力越大，对坝体的稳定越不利。库水上升越快，上游浸润线下凹越明显，库水入渗越滞后，坝体受力越不平衡，其稳定性越差。

(2)由于缺乏三维模型所需计算资源，因此仅计算了土石坝二维模型的渗流结果，对土石坝孔隙水压力、体积含水量及水力梯度的变化还需要进一步研究。