深厚砂砾石覆盖层坝基渗控方案与瞬态坝坡稳定研究

王鹏全，吴元梅，刘得俊，沙成刚，王增平

（1.青海民族大学 土木与交通工程学院，青海 西宁 810007；2.青海省水利水电科学研究院有限公司，青海 西宁 810001；3.青海省水利水电勘测设计研究院，青海 西宁 810002）

1 研究背景

修筑在西北内陆干旱区深厚砂砾石覆盖层基础上的土石坝，坝基易形成渗漏通道，造成水资源大量渗漏，降低水库兴利效益，引起库区下游土地盐渍化，坝基渗流严重威胁坝体蓄水运行安全［1］。其次，由于兴利与防洪调度运用，坝前水位和坝区渗流场常处于波动状态，特别是农业灌溉高峰期或水库防洪调度期库水位骤降是影响坝坡稳定的重要因素，坝体内孔隙水压力不能快速消散，引起土体抗剪强度参数降低，孔隙水反向渗透导致坝坡失稳形成险情，对库区周围居民的生命财产安全造成威胁。因此，在实际工程调度运行管理中为了防止因库水位骤降而导致土石坝滑坡，需进行上游坝坡瞬态稳定分析。据统计，土石坝失事类型中，渗透变形约占事故总数的50%［2］，坝坡失稳事故中约有60%发生在库水位骤降期［3］。因此，深厚砂砾石覆盖层上坝基渗流控制及库水位降落期坝坡瞬态抗滑稳定是水库安全运行的关键。

坝基渗透稳定和渗漏损失是深厚覆盖层土石坝防渗控制的主要问题。党林才等［4］、沈振中等［5］总结了深厚覆盖层上土石坝防渗的工程经验、关键技术、防渗措施选择优化及渗漏量监测等方面的问题。渗流控制措施主要有水平防渗、垂直防渗和联合防渗三种，其研究核心问题主要分为渗流机理研究、模型试验研究和防渗技术研究。Geo-studio、Seep 3D、FLAC 3D、ABAQUS等有限元渗流分析模型已成为目前渗流计算、渗透变形和渗流控制的主要数值模拟工具。截至目前，国内学者利用数值模拟研究不同灌溉条件［6］、库水位骤降联合降雨［7-8］、防渗体质量缺陷［9-10］等不同工况组合下渗流破坏机理和水库型滑坡的成果较多，但如何指导深厚砂砾石坝基组合防渗体优化及水库安全调度方面的研究相对较少，缺乏坝基最优控渗方案的技术经济比选及库水位骤降管控的实践研究。

本文针对持力层为深厚砂砾石覆盖层的某心墙土石坝，提出“库盘水平铺盖+坝基砼垂直防渗墙”空间正交组合渗流控制体系，利用Geo-studio有限元建模，采用VG模型估算土水特征曲线及非饱和土体渗透系数，耦合Seep/w模块和Slope/w模块对各方案进行饱和-非饱和渗流模拟和坝坡稳定计算，利用渗流稳定性态约束条件和经济技术条件比选提出坝基最优控渗方案。其次，基于饱和-非饱和渗流理论分析不同库水位骤降速率对坝坡瞬态抗滑稳定性的影响，提出水库安全调度的库水位骤降最大控制速率。研究成果可为类似坝基条件下土石坝渗流控制和安全调度运行提供一定的技术参考。

2 工程概况与计算模型

2.1 工程概况 某大坝为粉质黏土心墙砂壳坝，其基本剖面见图1。正常蓄水位26.60 m，设计洪水位29.10 m，校核洪水位31.20 m，死水位16.80 m，坝顶高程31.60 m，上游坝坡1∶2.25，下游坝坡1∶2。工程为Ⅲ等中型工程，主要建筑物为3级。坝体从上游到下游共分为6个分区，主要有：Ⅰ区（坝体围堰结合区）、Ⅱ区（上游砂砾石坝壳）、Ⅲ区（心墙反滤层）、Ⅳ区（粉质黏土心墙）、Ⅴ区（下游砂砾石坝壳）、Ⅵ区（排水棱体）。上游黏土铺盖厚度2m，坝基持力层处于河谷不均匀深厚冲积砂砾石覆盖层上，透水深度T=85 m，坝基第一层为稍密中密的冲积砾石层（厚30 m），坝基第二层为中密密实的砾石层（厚30 m），坝基第三层为全新统密实的砾石层（厚25 m），坝基透水宽度427 m。根据试验资料，坝基砂砾层属于中强透水层，允许水力坡降J=0.13，库区渗漏损失应控制在15.70 m3/（d·m）以下。

图1 大坝典型剖面图

2.2 计算原理 考虑到非饱和土的基质吸力随着含水量的变化而变化，渗透系数与吸力水头之间存在函数关系，将达西（Darcy）定律和质量守恒定律结合起来，得到瞬态非饱和水体流动的控制方程如下［11］：

式中：H为总水头；kwx(ua-uw)、kwy(ua-uw)分别是x向和y向随基质吸力而变化的非饱和土渗流系数；ua为空气压力，uw为水压力；H1为边界水头；q为边界流量，其法向流量为0；n为边界Γ2的外法线方向。

考虑渗流作用，坝体非饱和区域与饱和区域的范围处于变动状态，孔隙水不能及时排出将引起附加的孔隙水压力，故采用有效应力法计算坝坡稳定分析。采用简化Bishop法［12］将渗流分析结果导入稳定分析模块计算其坝坡稳定安全系数变化。

式中：i为土条编号；Wi为土条重量；ui为作用于土条底部的孔隙水压力；bi、αi分别为土条宽度及沿滑裂面的坡角；c′、φ′为有效抗剪强度指标；Mc为水平地震惯性力对圆心的力矩；Vi为垂直地震惯性力（向下为正，向上为负）；R为滑动圆弧半径；Kc为稳定安全系数。

2.3 数值建模 本次采用Geo-studio软件耦合Seep/w和Slope/w模块进行饱和-非饱和渗流模拟和坝坡稳定计算，坝基上游段计算长度取240 m，下游段计算长度取45 m，坝基砂砾石覆盖层厚度T=85 m（其中T1=30 m，T2=30 m，T3=25 m），上游水头111.6 m，下游水头85 m，相对不透水层边界法向流量取0。有限元网格模式以四边形为主，三边形为辅，防渗体网格局部加密，共剖分单元9782个，节点 22910个。设置标点 1（300，105）、标点 2（280，98）、标点 3（260，80）、标点 4（315，95）四个标点提取孔隙水压力变化，标点5（382，85）提取渗流出逸比降，坝体和坝基分别设置渗流量标签，上下游设置定水头边界条件，坝基边界设置定流量边界条件。坝体和坝基分区材料物理特性参数见表1，有限元模型见图2。

表1 坝体分区材料物理特性参数

图2 坝体和坝基有限元模型

采用Van Genuchten（VG模型）闭合方程估算土-水特征曲线［13］。通过体积含水量与基质吸力之间的非线性关系，模拟非饱和土体的渗透系数和基质吸力的变化过程。

式中：kw为非饱和土体渗透系数；ks为饱和土体渗透系数；基质吸力ψ=ua-uw，ua为空气压力，uw为水压力；a，n，m为拟合参数，曲线拟合参数可以基于土的单位体积含水量函数图来估计；Sp为土的单位体积含水量函数斜率。

利用Seep/w模块内置的样本函数估算单位体积含水量函数，以Ⅳ区（粉质黏土心墙区）为例，其单位体积含水量函数和渗透系数函数见图3和图4。

图3 土的体积含水量样本函数

图4 土的渗透系数样本函数

3 坝基渗控方案优化措施

坝基透水层深厚的水库，如何实现坝基渗流控制是关键。若采用悬挂式防渗墙能有效降低渗透坡降和浸润面高度，但在降低渗漏量方面效果不显著，除非采用封闭式防渗墙全部截断强透水层，但封闭式结构施工难度大、施工工期长、施工质量难以保证且工程造价高［14］。若采用水平铺盖，库盘容易产生不均匀沉降导致铺盖塌陷、开裂或隆起，基底表面杂草、乱石、树枝等杂物使得防渗效果难以预期［15］。考虑以上单一防渗措施的局限性，本次针对深厚强透水坝基提出“库盘水平铺盖+坝基砼垂直防渗墙”的空间正交组合防渗体系，以提高大坝的安全可靠性。

为考察水平防渗体、垂直防渗体在控制渗流量和渗透坡降效果的差异性及优势，设置措施1和措施2作为对照组，着重研究渗流流量、出逸比降、坝坡安全系数对水平铺盖长度Ln及防渗墙贯入深度S的敏感性，措施3重点研究“库盘水平铺盖+坝基垂直砼防渗墙”最优组合。试验共设置3种措施，细化为21个子方案。

措施1：库盘水平黏土铺盖，其中上游库盘水平铺盖长度Ln/H=5，6，…，12（H为坝前水深）。

措施2：坝基混凝土垂直防渗墙，其中包括子方案防渗墙贯入深度S=15 m，30 m，45 m，60 m，68 m，75 m（悬挂式）和S=85 m（封闭式）。

措施3：库盘水平黏土铺盖+坝基混凝土垂直防渗墙，其中子方案为Ln=3S，S=30 m、45 m、60 m、68 m、75 m（悬挂式）；85 m（封闭式）。

耦合Seep/w和Slope/w模块分析水库在正常蓄水位形成稳定渗流时的渗流控制效果与坝坡稳定。通过坝基渗流量、出逸比降、坝坡稳定安全系数等指标控制评价，论证各渗流控制方案的有效性。各防渗措施及方案计算成果见表2。

表2 坝基防渗措施及方案计算成果

措施1随着水平铺盖的上游延伸，渗流流量、出逸比降、标点处孔隙水压力均呈减小趋势，坝坡稳定安全系数呈增大趋势。当水平铺盖全库盘覆盖时，出逸比降0.061，满足控制要求；而单宽控渗流量31.19 m3/d，仍不满足水库的渗流控制要求。标点1～4的孔隙水压力均随水平铺盖的延伸而减小，上游坝坡安全系数呈增大趋势。渗流流量主要取决于上游入渗长度，坝基上游接近于半无限渗流，水平铺盖在渗透范围完全覆盖显然不现实。

措施2坝基的渗流量、出逸比降对防渗墙贯入深度比较敏感，满足渗透比降的防渗墙深度是60 m，防渗墙惯入比S/T=0.71；满足渗流流量的防渗墙深度是75 m，防渗墙惯入比S/T=0.88，显然垂直防渗墙在减小渗透比降方面效果显著。当防渗墙贯入比S/T＞0.7时，悬挂式防渗墙对出逸比降的控制效果较好，但控制坝基渗流效果有限。由于防渗墙的截流作用，使得坝体上游孔隙水不能及时排出，标点1～4的孔隙水压力均随防渗墙的深入而增大，上游坝坡安全系数呈减小趋势明显，垂直防渗墙对坝坡稳定的影响较敏感。

措施3满足渗流流量和渗透比降的最优子方案为库盘水平铺盖长度Ln=204 m，防渗墙深度S=68 m，单宽渗流量15.08 m3/d，出逸点渗透比降0.030，上游坝坡安全系数1.606，均满足安全性控制要求。

通过方案对比，满足渗流稳定性态约束条件和经济技术条件的子方案是：方案1坝基75 m垂直防渗墙；方案Ⅱ库盘204 m水平铺盖+坝基68m垂直防渗墙。本次方案优选经济评价参考混凝土防渗墙单价965元/m3，黏土铺盖单价22元/m3，则方案Ⅰ坝基防渗投资3184.5万元，方案Ⅱ坝基防渗投资3035.3万元。考虑单一防渗墙方案施工成本较高，且贯入深度较大时，防渗墙底部渗流面积不断减小，墙体两侧压差增大导致坡降急剧增大，墙底容易形成局部冲蚀，形成渗漏通道。因此，深厚砂砾石覆盖层上坝基采用水平铺盖和垂直防渗墙正交组合防渗体系，在减少渗流量和渗透坡降方面可优势互补，本次推荐方案Ⅱ为最优方案。

4 库水位骤降对坝坡稳定影响分析

以坝基防渗方案Ⅱ稳定渗流分析为初始条件，模拟库水位从正常蓄水位骤降至死水位条件下瞬态渗流场及上游坝坡稳定性。利用Seep/w通过饱和-非饱和瞬态渗流分析库水位不同骤降速率下坝体孔隙水压力时程分布，将其作为父项导入Slope/w边坡稳定分析模块，基于有效应力原理采用简化Bishop法计算不同工况下上游坝坡安全系数。本次计算工况1～工况4根据水库的多年运行经验依次设置库水位下降速率是v=0.1 m/d、v=0.5 m/d、v=1 m/d、v=2 m/d。坝体孔隙水压力瞬态变化见图5。

图5 坝体孔隙水压力瞬态变化

相对库水位下降，坝体内自由水面下降存在明显的滞后现象，当水位骤降结束至死水位时，各工况上游坝壳内最高自由水面的滞后高度分别是：工况1为0.30 m，工况2为1.39 m，工况3为2.35 m，工况4为4.62 m；各工况黏土心墙内最高自由水面滞后高度分别是：工况1为0.63 m，工况2为2.72 m，工况3为4.60 m，工况4为6.36 m。相同工况下，心墙内自由水面滞后明显高于坝壳内自由水面，主要原因是坝体渗流是一个缓慢过程且心墙土料的渗透系数小，孔隙水排出历时较长。上游水位下降越快，坝体自由水面滞后越显著，这主要是由于水位下降时坝体孔隙水压力没有及时消散，饱和土体向非饱和土体过渡需要一定时间，从而形成较高的自由水面。此外，库水位骤降过程中浸润线形状呈现凸形，说明坝体非饱和区基质吸力对渗流场的影响不容忽视。随着库水位下降结束后超静孔隙水压力的消散，浸润线最终趋于平缓。库水位骤降浸润线变化见图6。

图6 库水位骤降浸润线变化

通过标点1～4的孔隙水压力变化可知，库水位骤降初期，坝壳、坝基和心墙区域的孔隙水压力随库水位骤降而减小，随着渗流时间的延续，其变化趋势逐渐趋于稳定。水位降落的速率越大，孔隙水压力下降的梯度越大，标点1处甚至出现负孔隙水压力，主要由于水位骤降时，标点1处于浸润线以上，土体含水量减少，基质吸力增大所致。最优方案库水位骤降结束后孔隙水压力与流速矢量分布见图7，利用Slope/w模块计算上游坝坡瞬态稳定分析结果见图8。

图7 库水位骤降结束后孔隙水压力与流速矢量分布图（工况3）

图8 库水位骤降时上游坝坡安全系数变化

水位骤降时，饱和区孔隙水排出后，孔隙水压力来不及消散会产生上游水压，形成反向渗透，导致坝坡稳定性降低。随着水位骤降结束后超孔隙水压力逐渐消散，有效应力增加导致上游坝坡安全系数逐渐回升且趋于稳定。计算表明，工况1最小安全系数1.544，工况2最小安全系数1.421，工况3最小安全系数1.339，工况4最小安全系数1.245，工况1～工况4上游坝坡安全系数比坝基最优防渗推荐方案Ⅱ（Ln=204 m，S=68 m）稳态渗流时分别减少3.8%、11.5%、16.60%、22.5%。库水位下降越快，安全系数下降越明显，对上游坝坡的稳定性越不利。根据《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001），中型水库正常运行工况下坝坡稳定安全系数1.30，为保证库水位骤降下坝坡安全稳定，建议水库水位下降速率控制在1 m/d以下。因此，大坝在兴利防洪运行调度时，应避免上游库水位快速降落情况的发生，应及时掌握水位变化信息，预测入库洪水过程，提前做好水库运行调度的安全准备，避免不必要的安全事故发生。

5 结论

本文针对持力层为深厚砂砾石覆盖层的心墙土石坝提出“库盘水平铺盖+坝基垂直混凝土防渗墙”空间正交组合渗流控制体系，采用VG模型估算土水特征曲线及非饱和土体渗透系数，耦合Seep/w模块和Slope/w模块对各方案进行饱和-非饱和渗流模拟和坝坡稳定计算，利用渗流稳定性态约束条件和经济技术条件比选提出坝基最优方案，并考虑库水位骤降速率的影响对坝坡瞬态抗滑稳定性进行分析。

（1）水平铺盖向上游延伸越长，孔隙水压力减小越明显，坝坡安全系数呈增大趋势。渗流流量主要取决于上游入渗长度，坝基上游接近于半无限渗流，水平铺盖在库盘上游渗流范围完全覆盖不现实，对渗流的控制有限。防渗墙贯入比S/T＞0.7时，悬挂式防渗墙对出逸比降的控制效果较好，但控制坝基渗流效果有限，垂直防渗墙对上游坝坡稳定影响比较敏感。深厚砂砾石覆盖层上坝基采用水平和垂直的正交组合防渗体系，在减少渗流量和渗透坡降方面优势互补，通过经济技术比较推荐方案Ⅱ（Ln=204m，S=68 m）作为坝基防渗最优方案。

（2）库水位骤降时，浸润线形状呈现凸形且存在明显滞后现象，坝体孔隙水压力来不及消散产生上游反向渗透水压，导致坝坡稳定性降低。随着水位骤降结束后孔隙水压力逐渐消散，上游坝坡安全系数逐渐回升且趋于稳定。库水位下降速度越大，则孔隙水压力下降的梯度越大，安全系数下降越明显。满足水位骤降下坝坡安全稳定的水位降落速率应控制在1 m/d以下。水库在兴利防洪运行调度时，应及时掌握水位动态变化和入库洪水过程，避免库水位快速降落引起的险情发生。