某土石坝渗流稳定有限元分析研究

杨 敏

(江西省水利规划设计研究院有限公司，江西 南昌 330029)

0 引言

我国是世界上水库数目最多的国家，拥有各类大坝十余万座，这些水库为抗击洪水灾害和新中国的经济建设提供了重要保障[1]。但大部分水库大坝建于20世纪60～70年代，限于当时的技术条件，经过几十年的运行早期修建的水库逐步暴露出各类安全问题，给水利工程的安全运行提出了新的挑战[2-3]。土石坝作为在我国广泛应用的坝型，占已建大坝总数的90%以上，具有工程造价低、筑坝材料简单、对工程地质条件适应性强及寿命长等优点[4-5]。土石坝存在的主要问题之一是渗漏问题，土石坝的渗漏会影响大坝的安全运行和水库综合效益的发挥，探索土石坝渗漏问题发生的原因已经成为目前研究的热点和难点[6-8]。本文针对某土石坝出现的渗漏问题，采用有限元仿真方法进行大坝渗流和结构安全评价，并探讨大坝出现渗漏问题的原因。

1 工程概况

某水库建于20世纪60年代，是一座以灌溉为主，兼顾防洪、发电等综合效益的中型水利工程。枢纽工程主要由大坝、溢洪道、泄洪输水隧洞等组成。坝址以上控制流域面积55.2 km2，总库容5079万m3，设计灌溉面积6.0×104亩，实际灌溉面积4.0×104亩。大坝为均质土坝，设混凝土心墙，心墙位于坝轴线上游侧，心墙宽度60 cm，底部伸入基岩以下0.5 m，坝顶高程79.46 m，坝顶长446.0 m，宽6.0 m，最大坝高36.0 m。大坝上游为混凝土预制块护坡，坡度自上而下分别为1∶3.23、1∶4.14；下游为草皮护坡，坡度自上而下分别为1∶2.52、1∶2.67。大坝典型断面图见图1。

图1 大坝典型断面图

坝址区出露地层较简单，除第四系覆盖层外，下伏基岩为燕山期花岗岩。坝基覆盖层组成岩性主要有残坡积含砾粘土层、壤土及砂卵石层。残坡积含砾粘土为红黄色，土质稍密，粘性中，可塑，可揉成条，砾石成份主要为风化的石英砂，主要分布于两岸坝肩；壤土为灰色、灰黑色，土层较软，粘性中～差，局部含有较多的粉细砂及少量草根，主要分布于河流两岸的台地中；砂卵石层为黄色，主要由中粗砂、卵石及少量黄泥组成，分选性及磨圆度较差，主要分布于河床及两岸台地中。坝基花岗岩发育有强、弱、微风化岩体。强风化带岩体，岩石为灰黄色，节理裂隙发育且裂隙中多充填有泥质，岩芯破碎，为碎块状，一般厚度为1.40 m～9.80 m；弱风化带岩体，岩石为青灰或麻灰色，岩石较硬，节理裂隙较发育，裂面为黄色及铁褐色，一般厚度为1.40 m～6.80 m；微风化岩体为青灰色，岩石较坚硬，完整，节理裂隙不发育，且多闭合。

水库从大坝中部至右侧下游坡高程约53.00 m至排水棱体顶部范围内，存在大面积湿润区及多处渗水点，湿润区及渗水点现场见图2、图3。

2 仿真分析

为探索工程下游坝坡出现大面积湿润区及多处渗水点的原因，本节采用GeoStudio软件建立有限元分析模型，模拟大坝现状工程性态。根据坝体、坝基地质情况，同时考虑渗流观测设施的埋设情况，选取最大坝高断面进行分析，该断面位于老河床附近(桩号0+196)，坝高最大，坝后设有排水棱体，并以此断面代表大坝的实际渗流运行状况。通过查阅工程设计、基础的施工资料，初步判断可能的原因有：大坝排水棱体处施工时，在坝脚土体与反滤料之间铺设一道土工布，经多年运行，大坝反滤排水棱体与其下部砂卵石层堵塞，排水不畅，导致坝体浸润线升高；大坝混凝土防渗心墙已失效及坝体材料防渗性能差。

图2 大坝下游坡湿润区

图3 大坝下游坡渗水点

2.1 计算模型及参数

Geo-Studio软件是由美国GEO-SLOPE公司研发的岩土工程仿真分析软件，具有强大的仿真分析功能，目前已广泛应用于岩土工程、水利工程及环境工程等领域[9]。该软件由边坡稳定性分析模块(SLOPE/W)，应力变形有限元分析模块(SIGMA/W)和地下水渗流分析模块(SEEP/W)等八个子模块构成，各子模块之间互相兼容，方便用户同时对研究问题进行稳定、渗流、应力变形等仿真分析。本次土石坝渗流有限元分析采用Seep/w子模块进行，该模块分为稳态渗流和瞬态渗流两种分析方法，此次分析选用稳态渗流分析方法。

按以下步骤建立有限元分析模型：①选择SEEP/W模块启动软件，设置工作区域的尺寸，根据大坝的实际大小尺寸，设置260 m×200 m的工作区，单位设置成以mm计，比例设为1∶1200；②设置坐标轴和绘制模型，X轴方向设为距离，最大值300 m，增量为1 m，Y轴方向设为高程，最大值235 m，增量为1 m，按照选取的模型断面图在工作区绘制模型；③设置材料参数，渗透系数材料分析模型选择仅饱和，具体渗透系数取值根据不同工况条件见表1，按分区对模型参数进行赋值；④网格划分和边界条件设置，在绘图工具里选择网格划分，模型的边界条件设为压力水头或总水头，对以下工况组合进行有限元仿真计算：①上游水位68.53 m(现场查勘当日库水位)与下游相应的最低水位47.00 m，反滤排水棱体与其下部砂卵石层未淤堵，防渗墙正常；②上游水位68.53 m与下游相应的最低水位47.00 m，反滤排水棱体与其下部砂卵石层均淤堵，防渗墙正常；③上游水位68.53 m与下游相应的最低水位47.00 m，反滤排水棱体与其下部砂卵石层未淤堵，防渗墙失效及坝体材料防渗性能差。土石坝渗流分析模型见图4。

表1 大坝各分区的渗透系数取值表

图4 有限元模型

2.2 仿真结果分析

当排水棱体与其下部砂卵石层正常，且防渗墙正常时，坝体浸润线在排水棱体内出逸，见图5；当排水棱体与其下部砂卵石层均淤堵时，且防渗墙正常时，坝体浸润线在排水棱体之上出逸，出逸点高程53.12 m(对应上游水位68.53 m)，与现状大坝下游干湿分界线高程较接近，见图6；当排水棱体与其下部砂卵石层正常，但防渗墙失效时，坝体浸润线在排水棱体之上出逸，出逸点高程53.60 m(对应上游水位68.53 m)，亦与现状大坝下游干湿分界线高程较接近，见图7。因此，通过有限元法验证对大坝下游出现渗漏问题的判断，大坝反滤排水棱体与其下部砂卵石层堵塞，或大坝混凝土防渗心墙已失效及坝体材料防渗性能差是工程出现渗漏问题的主要原因。

图5 库水位68.53 m下稳定渗流计算成果图(未淤堵，防渗墙正常)

图6 库水位68.53 m下稳定渗流计算成果图(淤堵，防渗墙正常)

图7 库水位68.53 m下稳定渗流计算成果图(未淤堵，防渗墙失效)

3 结论

本文根据某土石坝下游坝坡出现大面积湿润区情况，结合现场查勘、设计和施工资料建立有限元仿真模型，将仿真分析结果与工程现场进行对比，结果基本吻合，验证了有限元仿真分析方法的可靠性。

由有限元计算结果可知，当排水棱体与其下部砂卵石层均淤堵时，且防渗墙正常时，坝体浸润线出逸点高程53.12 m，当排水棱体与其下部砂卵石层正常，但防渗墙失效及坝体防渗性能差时，坝体浸润线出逸点高程53.60 m，两种情况下均与现状大坝下游干湿分界线高程较接近。因此，大坝反滤排水棱体与其下部砂卵石层堵塞，或大坝混凝土防渗心墙已失效及坝体材料防渗性能差是工程出现渗漏问题的主要原因。