堰塞坝组成材料随机性对坝体渗流特性的影响分析

施 睿，孙亚民，雷红军，张 雷

(1.昆明理工大学电力工程学院，云南 昆明 650500；2.华能澜沧江水电股份有限公司，云南 昆明 650200)

0 引 言

堰塞坝是由冰渍物、熔岩流或地质灾害、地震或者降雨造成山体滑坡或泥石等堆积在河床，堵塞河道而形成的天然土石坝[1]。不同堰塞坝物质组成差别明显，即使在同一个坝内，各部位的粒径相差也很大，粗粒石块较多，物质分布不均匀，其坝体内部存在架空现象，在空间上具有很强的离散性和变异性[2]。堰塞体的渗透性是崩滑体上筑坝最重要的问题。堰塞坝渗透系数较大又没有泄流设施，上游水位增高导致水压增大，当渗流力达到一定值时，渗透水流会把细颗粒带走形成管涌有可能发生管涌破坏。因此基于堰塞坝材料的随机性对坝体进行渗流研究是很有必要的。

严祖文等[3]以唐家山堰塞坝为例进行了渗流计算分析，计算不同工况下下游坝坡的出逸比降，对比材料岩性和颗粒造成特征，对堰塞坝的渗透安全进行评估；石振明等[4]通过对红石河堰塞坝的分析发现，高渗透区域的存在对堰塞坝的渗流稳定是不利的，高渗透区域越长、渗透性越高、其位置越靠近坝体下游坡脚，堰塞坝的渗流稳定性越差；胡卸文等[5]从4种堰塞湖水位(710、720、730 m和740 m)条件下和唐家山堰塞坝体内部的地下水渗流场变化出发计算分析出坝体各介质的渗透坡降，并与相应土层的允许渗透坡降对比，判断堰塞坝体渗流稳定性及相应的溃决模式。Huang等[6]考虑了堰塞坝坝体组成材料空间上分布不均的特征，提出了非均匀沙的二维水沙耦合数学模型计算溃口的发展以及洪水过程线。堰塞坝的失稳破坏模式有很多，不仅有坝体的整体失稳破坏模式，还有管涌和漫顶破坏[7]。但由于堰塞坝材料组成的随机性及不均匀性，使得堰塞坝的材料参数难以确定，稳定性分析非常困难。

因此，本文通过有限元软件AutoBANK，依托红石岩工程，研究堰塞坝坝体材料分布的随机性对坝体渗流特性的影响。通过数值模拟研究堰塞体材料的离散性对坝体渗流的影响可以增进对堰塞体渗透破坏发生条件、破坏机理规律的认识，对于堰塞坝风险评估及堰塞湖排险治理等有着重要意义[8]。

1 红石岩堰塞坝工程概况

2014年8月3日，云南省昭通市鲁甸县发生6.5级地震，左岸山体边坡表面局部失稳，孤石以及碎石和颗粒较小的土粒组成的碎石土滑落至牛栏江，但左岸整体处于稳定状态。右岸山体发生大规模滑坡，滑坡体堆积河床，堵塞河道形成了堰塞体[9]。根据实测地形，滑坡体在高速运行过程，到达河床后形成爬升，使得堆积体左岸高，右岸低。堆积体顶部顺河向平均宽度约262 m，顶部横河向平均长度301 m，估算堰塞体总方量约1 000万m3。红石岩堰塞坝经过整治现已成为具有混凝土防渗墙的挡水坝，坝后电站装机容量201 MW，多年平均年发电量7.96亿kW·h[9]。

现场勘察部分井下视频截图以及井下彩色数字成像如图1所示。从图1可以看出，坝体内部物质分布不均，某些部位孤块石较多，且存在细颗粒偏少或偏多等不利情况。由此可见，堰塞坝材料分布具有很强的不均匀性、随机性，可能会对坝体安全产生影响。作为挡水建筑物，研究其材料分布的不均匀性和随机性对坝体渗流特性的影响对工程安全分析非常必要。

图1 部分竖井井下视频截图和彩色数字成像

2 计算方案

2.1 计算模型

简化后红石岩二维计算剖面及模型分区见图2。该模型坝高87 m，坝顶宽116 m，整个堰塞坝顺河向长1 155 m，上游坝坡坡度为1∶3，下游坝坡坡度为1∶5.3。河床冲积层厚度为42 m，基岩厚度为170 m。总共划分为11个分区以及河床冲积层和基岩，图中T(top)代表堰塞坝上部，M(middle)代表中部，B(bottom)代表下部。

图2 简化后红石岩二维计算剖面及计算模型分区情况

红石岩堰塞坝计算模型如图3所示。该计算模型共划分了2 531个网格，节点数2 602个，网格中以正方形单元为主，辅以少量三角形单元。模型边界条件包括上游渗流边界、出逸边界以及下游渗流边界。

图3 红石岩堰塞坝计算模型

2.2 计算参数

基本组分区渗透系数见表1，为第一组参数。结合现场注水试验结果，综合考虑坝体组成材料的随机性，设置了4组参数，即将表1中的T1、M1、B1分别与T3、M3、B3进行参数互换，得到第二组渗透系数；将T1、T2、T3分别与B1、B2、B3进行参数互换，得到第三组渗透系数；将第三组参数中上游下游侧渗透系数进行互换，即T1、M1、B1分别与T3、M3、B3进行参数互换，得到第四组渗透系数。

表1 基本组分区渗透系数

2.3 计算工况

本文计算拟定了2个工况，工况1为稳定渗流方案，上游水位为1 200 m，下游水位1 112 m；工况2为非稳定渗流方案，上游水位按1 m/d的速度从1 180 m升至1 200 m，下游水位按1 m/d的速度从1 094 m升至1 112 m。

3 计算结果

3.1 稳定渗流计算结果

根据4组参数计算的稳定渗流结果见表2。

表2 稳定渗流计算结果

4组稳定渗流计算结果浸润线对比如图4所示。

图4 4组参数稳定渗流浸润线分布对比

从图4可知：

(1)4条浸润线在坝体内的位置差别较大，这与坝体内渗透系数分区不同有关系。前两组堰塞坝上部渗透系数较大，所以浸润线位置较高，组三计算所得浸润线在T1和T2分区过渡平缓，进入T3分区后呈线性下降。组四浸润线和前3组参数浸润线差别最大，组四上游侧渗透系数小，从坝体的上部到下部，上游到下游渗透系数均是逐渐增大的，所以组四浸润线在坝体上游呈现滑梯式下跌。

(2)压力水头和总水头分布与浸润线的位置有关，浸润线越高，压力水头最大值越大。总水头集中分布的位置浸润线有明显下降，水头损失也主要发生在该位置。

(3)坝体渗透系数从上游至下游逐渐增大时，渗流量会增加，流速最大值区域不会发生变化，当渗透系数从坝体上部至下部逐渐增加时，坝体渗流量的增加更为明显。

研究组行MRI诊断，操作如下：采用Philips 1.5T的MRI设备，患者受检之前需禁止饮食、饮水，扫描层厚参数为8mm，扫描间隔参数为1mm，检查时，静脉注射15ml对比剂。操作者需密切留意患者癌变性质，并对影像特征进行分析。

3.2 非稳定渗流计算结果

分别选取时间5、10、15、20、50、100、500、1 000 d等8个时间节点来进行计算。计算结果显示50 d与1 000 d时的计算结果较为接近，所以在下文中只展示t为5、10、15、20 d及50 d的计算结果。将堰塞坝4分区参数不同时间节点对应的浸润线汇总如图5所示。非稳定渗流计算结果见表3。

图5 4组参数非稳定渗流浸润线分布

分析图5及表3可知：

表3 非稳定渗流计算结果

(1)堰塞坝在水位上升期浸润线的抬升均有一定的滞后性，通过对比分析发现第一组及第三组滞后性较为明显。当坝体从上游侧到下游侧渗透系数逐渐增大时，具有明显的滞后性，会延长整个非稳定渗流持续的时间。同时，当上游侧渗透系数较小时，在水位上升期坝体内部非稳定渗流更复杂，同时可以降低坝体浸润线。

(2)分区情况下非稳定渗流特性非常复杂，总体来说，随着水位的上升渗流作用逐渐增强，在水位上升的中期渗流特性变化最为剧烈。

(3)堰塞坝由于组成材料较为松散，渗透系数大，使得非稳定渗流持续时间较短，并且非稳定渗流特性更加复杂，在坝体材料随机性分布条件下，坝体薄弱部位有可能在分区交界处，也有可能在上下游水位处，在水位上升过程中难以确定，容易出现溃坝，所以堰塞坝形成后，需要尽快制定处理措施。

3.3 设置防渗墙后稳定渗流计算

红石岩堰塞坝防渗加固工程采取了设置混凝土垂直防渗墙的防渗方案。为评价设置防渗墙后坝体的防渗安全，开展设置防渗墙后的稳定渗流计算。本部分内容计算参数选择第一组渗透系数进行计算，上下游水位情况与前文稳定渗流相同，防渗墙顶部高程为1 201 m，下部深入基岩约3 m，防渗帷幕深度为28 m。渗透系数k防渗墙=1×10-7cm/s、k防渗帷幕=1×10-5cm/s。为了保证计算精度对防渗墙及防渗帷幕网格进行加密，并且在坝体与混凝土防渗墙以及防渗帷幕接触部位设置了薄层接触面，共划分为4 528个单元，4 554个节点。网格划分情况见图6。稳定渗流总水头等值线见图7。

图6 添加防渗措施后的堰塞坝网格划分

图7 稳定渗流总水头等值线(单位：m)

从图7可以看出：

(1)增加防渗墙后，稳定渗流坝基位置单宽渗流量为1.38 m3/d，相比不设防渗墙前大幅度减小。

(3)防渗墙中部水力梯度较大，最大值为70.2，混凝土防渗墙上游侧水头约为1 199 m，下游侧水头大约为1 130 m，混凝土防渗墙最大削减水头为69 m，占上下游水头差的79%，说明防渗墙有较好的防渗作用。

4 结 语

无论是稳定还是非稳定渗流，分区渗透系数的改变都会对堰塞坝的渗流特性产生影响，使得浸润线位置、压强水头及总水头的分布以及渗流量产生变化。

(1)稳定渗流情况下，当堰塞坝从坝顶到坝底、从上游侧到下游侧渗透系数均逐渐增大时，对坝体的渗流最为不利。此种情况浸润线的位置会有所降低，渗流量增加，总水头等值线会向上游侧移动，水头损失的主要区域向上游侧扩大。

(2)非稳定渗流均有一定的滞后性，当堰塞坝上游侧到下游侧渗透系数均逐渐增大时，会使非稳定渗流持续时间延长，滞后现象较为明显。分区情况下非稳定渗流特性非常复杂，随水位的上升渗流作用逐渐增强，在水位上升的中期渗流特性变化最为剧烈。

(3)当堰塞坝上部渗透系数小，下部渗透系数大时，一般很难满足渗透稳定和渗流量的要求。该种情况可以优先考虑采用防渗墙垂直防渗形式对堰塞坝进行整治。

可见，堰塞坝各部分的渗透系数不同，坝体的渗流情况也不相同。因此，在实际工程和数值模拟中，需要根据现场注水试验、三轴剪切试验等，尽量确定坝体各部分材料参数，还原真实状况。堰塞坝的物质组成及粒度分布情况对堰塞坝的溃决过程有重要影响，其组成的复杂性对堰塞坝的研究具有很强的限制。因此如何准确地获取其内部物质组成特征是研究堰塞坝的一个难点，也是今后研究重点之一。