有无渗漏时水流通过堤坝的渗透特征研究

杨 娜

(河北省子牙河河务中心，河北 衡水 053000)

0 前 言

土石混合体坝基在水坝工程中常是设计首选结构形式，但是有关土石混合体坝基的渗透破坏特点，相关研究成果相对较少。胡亚元等才用有限元方法研究了管涌作用对堤坝渗透系数和渗透速度的影响规律，主要基于改进后的SPV方程结合有限元中的Newton-Raphson求解法和网格单元刚度矩阵有效及时调整法对二维条件下的土石坝水流渗透问题进行了研究，结果表明管涌现象显著增大了土石坝的渗透系数和渗透速度[1-2]。李新华等深入分析影响堤坝渗流的各关键参数后，结合一具体工程实例中监测的渗流数据，应用Matla神经网络方法建立了能够有效预测渗流参数变化的模型，为渗流参数在堤坝中的变化预测提供了借鉴[3-5]。陆忠民等对上海市一水库建设阶段存在多种潜在不安全扰动因素影响条件下的实际困难的解决进行了研究，总结了一套针对潮汐河口位置的堤坝建设方案，为类似复杂地质条件下的堤坝建设提供了参考[6-7]。黄海均等对于常见强弱互层的堤坝基础结构形式的渗透破坏特点进行了研究，采用PFC3D软件结合“反演法”，首先对坝基中各土层的颗粒细观参数进行了正确标定，得出坝基渗透变形破坏发展演化过程中各土层细颗粒的运动特征，揭示了强弱互层堤坝的渗透破坏微观变形发展机制[8-9]。武亚军等研究并成功制配出用于与黏性土渗透变形内部变化过程的透明质黏土材料，并进行了多种配比条件下的透明黏性土渗透试验，得出黏土的渗透系数随着黏质成分的含量提高而变小，而黏土的压缩性会随着黏质成分的含量提高而变大[10-11]。

以下对位于山西省一水库堤坝进行数值计算分析，对比当下游边界设置与不设置渗沟时，堤坝内的水力梯度、流线形式和孔压变化特征，采用能够有效进行饱和-非饱和分析的Geo-studio软件建立实体堤坝模型，讨论渗漏边界设置与否相应的各水力关键参数的变化趋势，总结了渗漏边界的出现与否对各关键水力参数的影响特征，为类似地质条件下的堤坝设计和工程维护提供了一定参考。

1 工程地质

该水库堤坝位于辽宁省内，是为该地区汛期阶段调整各小区域水量分布而建设，坝基主要由土石混合体材料组成，土石混合体材料相关物理力学参数如表1所示，坝基剖面模型如图1所示。预计汛期储水高度为11m，堤坝基础长52m，高12m，顶宽4m。

2 Geo-studio渗流分析

Geo-studio软件在渗流分析上有着独特的优势，其软件自带有相关的水力特征曲线估计算法，含水量与渗透系数估计算法及相应的孔压与含水量估计算法，输入相应的参数，软件即可自行计算得出，内置有多种前人研究成果中的各种水力相关函数模型，为各个工程领域涉及到流体渗流问题的分析提供了极大便利。

图1 坝基剖面图

表1 土石混合体物理力学参数

3 堤坝模型构建

在Geo-studio软件中建立如图2所示堤坝模型，通过设置材料特性，并赋给相应区域的材料，指定水位面位置，按照0.5m的单元网格密度划分模型，模型底部右端45-52m处设置或不设置渗漏边界，进行计算。

图2 水库堤坝模型

4 模拟结果

下文主要通过分析设置与不设置渗漏边界条件时，坝基内水力梯度变化特征、水流流线特征及零水压头的分布位置的特点，得出设置与不设置渗漏边界条件时，以上这些参数的变化规律。

4.1 不设置渗漏边界时

图3所示是不设置渗漏边界时，边坡内水力梯度等值线在坝基内的分布位置，和几个主要流线的形式，以及零水头压力线在坝基中的分布位置，可见，从坝基上游开始发生渗透，水力梯度在最初时，坡降较小，越向下游，坡降越大，水流在通过坝基进行渗透时，靠近上游处，以垂直加水平的混合运动方式为主，向下游渗流时，迅速过渡到以水平运动为主，零压力水头线以一定斜角趋势几乎成直线形式指向下游。

图3 不设置渗漏边界时的水力参数图

图4 不设置渗漏边界时渗透率和基质吸力关系

图4所示为在不设置渗漏边界时的土石混合体材料的渗透率(水力传导度)和基质吸力关系曲线。由图中所示可知，当渗透率随着土石混合体材料中的基质吸力的不断增大而减小，当达到1kPa的临界基质吸力值时，渗透率出现迅速陡降。

4.2 设置渗漏边界时

图5所示是设置渗漏边界时，边坡内水力梯度等值线在坝基内的分布位置，和几个主要流线的形式，以及零水头压力线在坝基中的分布位置，可见，从坝基上游开始发生渗透，水力梯度在最初时，坡降较小，越向下游，坡降越大，与不设置渗漏边界情况相比，整体坡降较大。水流在通过坝基进行渗透时，靠近上游处，以垂直加水平的混合运动方式为主，向下游渗流时，迅速过度到以水平运动为主，这一点与不设置渗漏边界情况相似，零压力水头线不再穿过下游斜坡，先以一定斜角趋势也几乎成直线形式指向下游，后在渗漏边界处迅速回转向下至渗漏边界，说明渗漏边界的设置能够有效预防坝基发生整体的失稳渗漏破坏。

图5 设置渗漏边界时的水力参数图

图6所示为在设置渗漏边界时的土石混合体材料的渗透率(水力传导度)和基质吸力关系曲线。

由图6可知，当渗透率随着土石混合体材料中的基质吸力的不断增大而减小，当达到1kPa的临界基质吸力值时，渗透率出现迅速陡降，这与不设置渗漏边界时的情况相同，可见渗漏边界的设置对渗透率和基质吸力的关系没有影响。

5 结 论

1)水力梯度在靠近上游处，坡降较小，越向下游，坡降越大，水流在通过坝基进行渗透时，越靠近上游处，以垂直加水平方向向下游运动为主，而后迅速过渡到以水平运动为主。

2)与不设置渗漏边界情况相比，设置渗漏边界时，零压力水头线不再穿过下游斜坡，说明渗漏边界的设置能够有效预防坝基发生整体的失稳渗漏破坏。

3)建议在相似水位和坝基结构模式下进行堤坝的设计时，采用下游适当设置渗漏边界的措施。