基于有限元软件水库土石坝渗流分析

李保民

（费县应急保障服务中心，山东 临沂 273400）

0 概述

土石坝水库是水利工程中一种重要的水工建筑物，对防洪蓄水工程起着重要的作用。然而，土石坝在运营期间，由于施工和土体材料原因坝体会发生渗流现象，而过大的渗流会引发土石坝内部发生破坏，增加溃坝风险，因此，对土石坝运营期的渗流情况进行研究具有重要意义。吴云星 等[2]引入LM 算法优化标准BP 神经网络的权值和阈值,提高BP 神经网络对土石坝渗流压力的预测效果；安元 等[3]采用有限元分析方法,结合某一工程实例建立有限元渗流场计算模型,对正常蓄水情况下渗流场进行数值模拟；贺玉珍[4]对冲抓回填的施工过程进行了介绍,通过ANSYS 对冲抓回填加固后大坝渗流情况进行模拟；邹韬[5]以我国西南某水库的土石坝为例,采用Geostudio 软件中的SEEP/W模块和SLOPE/W 模块对土石坝进行渗流稳定分析；虎珀等[6]基于有限元原理以及渗流场与温度场在各种方面的相似性，将ANSYS 软件中的热分析模块运用于土石坝渗流场的计算中;缪新颖 等[7]将主成分分析方法、遗传算法和神经网络协同应用于水库大坝渗流预测；赵普 等[8]针对土石坝渗流压力存在滞后于库水位的特点，引入具有延时输入特性的带外源输入的非线性自回归神经网络NARX 实现土石坝渗压的有效预测。

本文以山东某土石坝为例，采用GeoStudio 软件中SEEP/W 大坝进行渗流分析，探讨了不同水位下，大坝的孔隙水压力和渗流等特征，同时对大坝加固提出了建议，研究成果可为相关工程提供参考。

1 工程概况

本次研究的大坝位2004 年对水库进行了除险加固，主要除险加固项目有：①大坝加固工程；②溢洪道加固工程;③输水涵管加固工程等。大坝长1 034 m，放水洞为钢筋砼矩形箱涵1.2 m×1.5 m，溢洪道新建3 孔泄洪闸，宽24.0 m。目前铺设了防汛道路，新建大坝照明，雨情自动测报系统、放水洞闸门电动启闭机和视频监控系统，有效的提高了管理单位的现代化管理水平。电站装机容量为34 MW,多年平均发电量12 560×124 kW·h，。90%保证出力4 300 kW,多年平均水头6.63 m。根据GB 5021-2014《防洪标准》、加权平均水头6.00 m，工程于2015 年通过下闸蓄水验收，2019 年12 月通过竣工验收。现场安全检查经现场检查,水库各水工建筑物基本完整。本次现场检查没有发现土坝坝体、坝肩有明显位移、沉陷情况，坝坡稳定。

下游坝坡未见明显变形，无塌坑、冲沟、牛皮胀等不良现象，草皮能完全覆盖，但夹杂杂草。大坝下游坝肩、坝脚设有排水沟，下游坝脚设有排水棱体，排水棱体完整且有效，但排水棱体及坝脚排水沟内侧有砂浆勾缝，不利于排出坝体渗水。现场检查溢洪道整体外观良好，主体砼结构表面基本平整，无剥蚀、冲刷现象，未见沉降、倾斜等变形异常，但进口右侧挡墙局部有裂缝；泄槽底板有三道较明显的横缝；左岸山体常年有股清水流出，渗漏量较大，初步分析是由于旧涵管封堵不严所致；出口没有防护，有明显的冲刷坑。总体上大坝稳定性需要进一步建模分析评价。

2 渗流控制方程

本研究采用geo-studio 软件对大坝稳定性进行分析，主要使用SEEP/W 和SLOPE/W 模块。此次渗流分析主要探索雨水条件下，地下水在边坡中的流动方式。SEEP/W 渗流分析模块中利用Richards 方程进行二维瞬态渗流分析，控制方程如下：

式中，kx和ky表示x 方向和y 方向的渗透系数；H为水头或总水头：q为施加的边界流量；γw为水的单位重量；t为时间；mw为体积含水量曲线的斜率。

3 数值模型建立

本次研究的大坝是工程之一的一个土坝，长407 m，高8 m，上侧坡度为3∶1，坝后坡度为2.5∶1，其端部向上倾斜，直到与黏土芯的端部相交，并且泥芯的侧面被一层2.5 m 的过滤层包围。坝头底板有一层厚度为3 m 的黏土，顶部为一层厚度为2 m 的过滤层，与从泥浆正面倾斜的过滤层相连。泥浆背面的过滤层，其延伸至大坝后端末端，厚度为2 m，一层过滤层延伸2 m 厚，以保护大坝背面的沟渠。大坝的前表面覆盖着厚度为1 m、长、宽尺寸为0.4 m 的石料（抛石），并在其下方设置一层30 cm厚的过滤层。背坡上覆盖着一层厚0.5 m、长、宽尺寸不小于30 cm的石层，以保护其免受降雨和侵蚀因素的影响。图1 为大坝横截面。

图1 大坝横截面（比例尺1∶400）

图2 为本次建立的数值模型，模型根据实际大坝模型建立，主要利用SEEP/W 软件，分析不同条件下正常水位和最大水位非均质土坝的坝段的渗流量。所有边界的单元数为2 275，节点数2 154，首先假设坝顶蓄水位是边坡左边界的临界情况，恒定总水头边界或者空库，下游侧的水头为（0 m）,然后进行稳态渗流分析。

图2 数值模型

表1 数值计算参数

4 数值结果分析

4.1 正常水位渗流分析

图3 给出了正常水位下的总水头模型。正常水位标高20.6 m，虚线为穿过大坝的浸润线，通过大坝、心墙和滤层末端。图4 为正常水位下坝体孔隙水压力分布图。由图可知，在稳态条件下，浸润线穿过下游斜坡处的坝体，不与下游面相交，因此不会导致下游边坡软化或坍塌，从而导致后续破坏。此外，最大孔隙水压力绝对值位于下游顶部。浸润线的压力值始终为零，浸润线区域下方压力的正值完全饱和，浸润线上部区域为负压，不饱和。图5 给出了距坝基不同距离处的水力梯度值。由图可知，水力梯度的最大值出现在反滤层处，数值大于1。

图3 正常水位下的总水头模型

图4 坝体孔隙水压力分布

图5 坝体水位梯度

4.2 最大水位渗流分析

图6 和图7 分别给出了最大水位下的孔隙水压力和水力梯度值。其中分析孔隙水压力是由于坝体内部可能会出现较高的孔隙水压力，这对大坝的稳定性和安全性将产生重要影响。而分析水力梯度的意义是渗透系数、潜蚀破坏等都与水力梯度有着十分密切的关联。由图可知，最大出口水力梯度i为0.3，因此大坝安全系数等于1/0.3，即3.33。因此，在稳定状态下大坝不会发生渗流破坏。此外，大坝心墙在正常和最大水位的渗流速度分别为1.5×10-4m/d 和1.47×10-4m/d，同样表明大坝不会发生渗透破坏。

图6 最大水位下的孔隙水压力

图7 最大水位下的水力梯度

5 大坝加固建议

通过以上数值模拟分析结果可知，虽然边坡趋于稳定，但渗流分析得出在正常水位下水力梯度偏大，因此有必要进行事先的加固措施。现阶段水利工程针对坝体防渗和加固通常会采取以下几种常用手段：高压喷射注浆法作为一种简便易操作的技术可以对涵盖整个操作工艺环节进行整体性规划，并且能够确保浆液固结体可以持续性的维持高强度。基于上述两个优势使得在堤坝坝基的覆盖层、接触带场景等应用领域经常可以看到高压喷射注浆法的应用案例。另外，高压喷射方式会对形成的固体形态产生直接影响，一般情况下的堆石体情况等复杂环境下常常采用防渗墙的结构。高压喷射通常情况下是采用单管喷射的基本方式，但是，有的复杂应用场景下需要选择双管喷射、甚至是三管喷射的方式；垂直铺塑防渗技术具有操作简便以及施工成本低等优点而常用于低水头堤坝处进行防渗作业。因此，本文根据大坝实际情况，建议采用垂直铺塑防渗技术就能够对大坝渗流破坏起到预防作用，在经济和安全上达到平衡。

6 结论

本文以山东某土石坝为例，采用GeoStudio 软件中SEEP/W 大坝进行渗流分析，探讨了不同水位下，大坝的孔隙水压力和渗流等特征，同时对大坝加固提出了建议。研究成果表明，大坝浸润线的压力值始终为零，浸润线区域下方压力的正值完全饱和，浸润线上部区域为负压，不饱和。此外，最大水位下大坝最大出口水力梯度i 为0.3，因此大坝安全系数等于1/0.3，即3.33。因此，在稳定状态下大坝不会发生渗流破坏。此外，大坝心墙在正常和最大水位的渗流速度分别为1.5×10-4m/d 和1.47×10-4m/d，同样表明大坝不会发生渗透破坏。最后，根据大坝实际情况，建议采用垂直铺塑防渗技术能够对大坝渗流破坏起到预防作用，在经济和安全上达到平衡。