土石坝对水流重力运动的影响研究

孙寿富

（兰陵县水利建筑安装公司,山东 兰陵 277731）

1 前言

各类蓄水工程中普遍采用修筑成本低廉的土石坝进行拦水坝的施工。为了能够对土石坝的工作性能有明确认识,许多学者对土石坝工程的坝体及坝基的各类相关力学性质和特点开展了广泛研究,吴世余等[1,2]对堤坝渗流的计算方法开展了研究,通过提出与堤坝相关的流态分区概念,试图建立一种更为简单的求解计算方法,随后又提出来基于流量固定的上下游水流流态互不干扰法则用来对堤坝渗流进行计算,结果表明：采用常用的努美罗夫理论解对上述方法进行验证,证明了该方法的确实可以用来对堤坝渗流进行计算,同时采用柯钦娜理论解的验证结果也证明了这一点。刘子方等[3]针对堤坝实际状态的非稳定渗流状态进行了研究。研究结果表明：由于边界条件和上游水位复杂多变,求解困难,而新提出的计算非稳定渗流的计算模型经过监测资料的验证,证明了对求解此类问题的有效性。李维朝等[4]对堤坝运行过程中两种最常见的渗透破坏形式,管涌集中渗流冲蚀,沿裂缝冲蚀进行了研究,研究结果表明：水力剪应力相比于水力坡降、水流流速两个指标,更能有效指示裂缝冲蚀起动,因此,尽管较难直接量测,但是仍应作为判别由裂缝造成的冲蚀起动的判别指标。姜树海等[5]针对堤坝防洪工程老化问题可能引起的各种风险发生可能性逐渐提高的时变特性进行了研究,研究结果表明：Bayes 方法可用来对这类随机量造成的随机风险性进行计算分析,而在此过程中需利用尽可能多的先验信息,并且对相关参数做到实时采样更新。朱萍玉等[6]提出了一种采用监测温度的方法对堤坝渗流造成的安全问题进行监测。模型实践研究结果表明：分布式光纤模拟装置监测系统能够对不同水温条件下的堤坝渗流程度进行重复模拟,对不同浸润线条件下的堤坝渗流程度进行建模分析模拟,该监测系统为堤坝安全系数的量化研究提供了一个有效平台。李新华等[7]通过对尔王庄水库堤坝运行过程中的渗流监测数据进行详细分析研究,研制出建立于相应渗流监测数据基础上的各类堤坝渗流参数的时变模型,并提出和开发了基于MATLAB 平台的渗流参数神经网络预测模型,并用实测值对该渗流模型进行了验证。结果表明：该渗流参数神经网络预测模型能够有效预测渗流参数的远期变化,从而为堤坝渗流风险识别提供帮助。廖红建等[8]对水库堤坝中的各向同性土坡在饱和-非饱和状态下的渗流特性进行了研究。研究结果表明：通过时间和空间离散化方法处理堤坝渗流场的动态变化,对坝坡进行稳定性分析能够得出渗流与边坡破坏的内在联系。涂向阳等[9]利用实测土内的水头位置数据建立的数值模型进行了堤坝渗流的数值模拟。模拟结果表明：全封闭高压喷射手段为坝体内建立灌浆防渗墙的坝体加固方案对坝基加固效果明显。沈振中等[10]基于变分原理和罚函数法,建立了用于处理堤坝渗流问题的基本方程,并通过实例研究了其有效性。研究结果表明：建立的基本方程是正确的,且计算精度和计算效率均比较高,可用于求解堤坝渗流问题。苏永军等[11]利用有限元软件建立数值模型,水位涨落造成的海堤渗流问题进行了数值模拟,结果表明：各主要参数组成的盒维数变化随水位涨落而发生变化,各单个参数的变化过程和趋势不同,同时说明分维值是一种简洁的方法。

以上学者的成果斐然,但是,均未开展堤坝渗流特点的详细分析研究。本文依托实际堤坝工程,开展上流蓄水条件下,水流在坝体内的渗流特点研究,这一分析研究过程主要通过Geo-studio 软件来开展,通过以实际工程形态特点进行建模分析,计算求解,获取结果,对结果进行解析。

2 工程概况

该实体蓄水堤坝工程位于贵州省境内,堤坝边坡横剖面见图1,构成堤坝的材料主要是碎石土,其主要组成材料有：粘土、砂土、不同颗粒直径的碎石,各类材料的及压实碎石土的相关物理力学参数见表1。

表1 土石坝材料物理力学参数

图1 堤坝边坡横剖面图

3 数值模拟

3.1 模型的建立

Slope 模块是存在于Geostudio 软件中的一个专门用来做渗流分析的一个模块,在此模块中构建实体堤坝轮廓,设置表1中相应的材料参数,将相应区域进行材料赋值,同时设置好水位面,最后进行分析求解计算[12,13]。

根据相应的堤坝设计,该堤坝设计成直角梯形截面,直角边临近水边,见图2,坝基基底宽18 m,顶宽9 m,高12 m,坝基截面自身惯性矩（IY 和IZ）为7.89×1015m4,设计安全系数为1.5。

图2 蓄水水库坝基渗流计算模型

3.2 渗流特征及水通量

数值模拟最终的渗流结果图见图3。X 方向的水通量随着距离的变化过程见图4。

图3 渗流数值计算结果图

图4 坝基X 方向水通量变化图

图3为最终计算完成后的渗流特征图,图中所示黑色箭头为碎石土中水流通过的方向及最终在最右侧呈现出的走向,从图中黑色箭头在坝基右侧的出露情况可知,坝基右侧水流通过时,从基底Y=0 位置开始向上到达Y=4 位置处均有黑色箭头出露,表明水流通过土体后在右侧呈现一定的渗流出露特征,而且从上到下呈现出逐渐增大的趋势,水流在坝基土体内总体呈现由左上向右下的运动趋势,水流向右下方汇聚,越向右下方水流越大。总水头云图显示,从左向右,总水头逐渐减小,且越靠近右侧临空位置,总水头降低越快,这与水流向右下端的汇聚特点一致。

图4所示为坝基X 方向水通量随距离X 的变化趋势图,由图可知,坝基X 方向的水通量由X 距离从小到大,在X=0 m～20 m 范围内,呈现出微向上方凸起的对称弧形,在20 m 处有一个向下的突变,这一点整对应前述分析的坝体右侧上方渗流出露点的X 坐标值,随后又以一较小角度上升至与最初值相近的水通量值,约为3.6×10-7m3/（s·m2）。

4 结论

本文通过对土石坝在上游蓄水条件下的渗流特征的分析研究,获得了相应的渗流参数随着在坝基内的位置变化而呈现的特点,主要获得以下结论：

（1）水流通过土体后在右侧呈现一定的渗流出露特征,而且从上到下呈现出逐渐增大的趋势。

（2）水流在坝基土体内总体呈现由左上向右下的运动趋势,水流向右下方汇聚,越向右下方水流越大。

（3）坝基X 方向的水通量在X=0 m～20 m 范围内,呈现出微向上方凸起的对称弧形,在X=20 m处有一个向下的突变,随后上升至最初值大小为3.6×10-7m3/（s·m2）的水通量。