不良地质条件下的土石坝渗流稳定性分析

孟 源

（山西省水利水电工程建设监理有限公司，太原 030002）

0 引 言

受中国西部省份的自然条件和环境因素限制，目前众多的大坝修建于深厚覆盖层这种特殊地基上，大坝基岩的渗透性和岩土体力学性质对坝体施工和运行安全起到非常关键的作用。即便大坝完建，运行期水的渗透扰动对基岩体力学性质的改变，也是坝体安全稳定运行的重要安全隐患。在坝工界因坝基渗流控制不当，安全事故常发。在水利工程的建设和安全运行中，坝基渗流为有压渗流，当渗透坡降或渗流速度超过某一限值时，大坝坝基和两岸岩土体将会产生渗透变形，若渗透变形控制不力变形增大至限定值，坝体将出现混凝土裂缝，严重时威胁安全稳定性。故不良地质条件下修建大坝，其渗漏变形及稳定问题坝工设计的一大关键技术问题[1-3]。

在地质条件较差且高渗透率的深厚覆盖层地基上筑坝，防渗体系的建立是重中之重，多种防渗结构的科学设置，防渗体与基岩及两岸岩体等防渗的薄弱环节是一关键问题，通常该接触位置的渗透变形包括防渗体的接触面剥蚀和沿接触面的冲刷两种严重破坏。国内多为专家学者进行研究，王启国对虎跳峡的深厚覆盖层成因及演化方面深入研究，分析这类地质特性。杨天俊等对宝兴电站坝的地质成因、结构特性、结构类型、厚度变化等进行专题研究，总结出深覆盖层特殊地质方面的共性问题及治理措施[4-6]。白勇等基于有限元法数值模拟深覆盖层地基的防渗体系设立及渗流控制方面研究，对接触面的冲刷和剥蚀破坏分析研究，从施工技术和工程造价方面总结出不同防渗体系下的渗流控制措施。

1 土石坝渗流控制分析

已知土石坝渗流的实际渗流域，利用有限单元法的代数方程，根据变分原理进行求解，相关渗流场解表达为：

式中：П(h)泛函；Ω1渗流实域；[k1],{h1}和{Q1}渗流实域总矩阵、结点水头列阵和等效流量列阵。

计算迭代时，对渗流的虚域、虚单元及过渡单元的虚域消解，最终得到结果，有限元迭代式为：

式中：[k],{h}和{Q}是计算域导矩阵、结点水头列阵、流量列阵；{VQ}=[k2]{h}为结点虚流量列阵。

确定初始自由面位置，整体迭代过程基于下式：

式中：it迭代步数。

迭代时若考虑{Q2}it，不同等效流量列阵计算式如下：

可能渗流逸出面的处理：各向同性土坝的浸润面内饱和区控制方程为：

H为总水头。

模型底部和自由面渗流边界定义为：

N为外边界外法线方向。

计算范围的两侧边界水头为：

浸润逸出面的水头条件是：

有限元法的模型基本控制方程是：

通过变分法或加权残值法积分方程后分块离散，可得节点水头控制方程，迭代计算后为渗流自由面。

2 工程实例

2.1 工程概况

某水利枢纽由沥青心墙坝、左岸电站厂房和引水发电系统组成，主要效能为生态补水兼顾发电功能，规模为Ⅱ等大（2）型工程，拦河坝最大坝高82 m，水库的总库容8.67 亿m3，正常蓄水位2966m，死水位为2810m。电站的总装机容量是100MW，年发电量有3.26 亿kW·h。大坝建于深厚覆盖层（130 ～150m）上，两岸基岩为非可溶性岩石，库岸山体无分水岭存在，基岩整体较完整，左、右坝肩基岩单位吸水量均值为0.24L/min·m·m、0.13L/min·m·m，属中～强透水层，透水性差异明显。

2.2 边界条件及计算参数

本文计算采用大型工业有限元计算软件ADINA，该软件模块中的温度场和渗流场建模原理相似，建模时替换土体介质为温度场介质、土体渗透系数为热传导率、渗流总水头函数替换环境温度，域内热源密度定义为零，边界条件为已知水头和渗透流速。本节基于ADINA.T 模块对正常蓄水位的大坝不同垂直防渗体系进行二维稳定渗流分析。边界条件：坝体两岸及基础不透水边界，坝体与上、下游面为水头边界。Y 轴为顺河流方向，从上游指向下游为正；Z 轴为垂直方向，竖直向上为正，模型分别取坝踵向上游和坝址向下游1.5 倍坝高，数值方向取基岩下82m。坝体及基岩各材料渗透系数值见表1。

表1 材料渗透系数表

为了便于渗流分析计算，在不影响计算结果的前提下对研究模型作了一些假定：

1）假定河床剖面沿坝轴线方向保持不变，计算结果中渗漏量不包括绕坝渗漏量。

2）因泄洪洞出口处水位较低，下游水位取坝址处的地下水位2888m，由于大坝蓄水后该水位有所提高，从渗流计算方面分析，假设地下水位不提高时，大坝渗漏量和水力坡降都相对抬高大，故假定地下水位不抬高是偏安全的。

3）假设各种材料的渗透性质是各向同性，即kx=ky。

4）典型剖面的坝基复杂深厚覆盖层进行简化处理如下。

2.3 计算方案

针对大坝坝基的特殊深厚复杂性，根据工程规范和设计经验，拟定3 种防渗墙下接防渗帷幕的防渗方案，计算坝基不同防渗体系的渗流场、渗流量和渗透比降，3 种方案如下：

1）方案 1：80m深防渗墙下接70m的防渗帷幕。

2）方案 2：85m深防渗墙下接65m的防渗帷幕。

3）方案 3：90m深防渗墙下接60m的防渗帷幕。

4）方案 4：100m深防渗墙下接45m的防渗帷幕。

2.4 计算结果

从结果可知，防渗墙下接帷幕方案探入基岩内，搭接长度为10m，垂直防渗体系将积砂层和冰碛层渗流隔断，因防渗帷幕的渗透系数与沥青心墙和混凝土防渗墙相差3 个数量级，从流网图可看出渗流量基本分布于防渗帷幕位置。各方案的渗流量和渗透比降计算如表2。

表2 各方案渗流要素对比表

大坝渗漏符合防渗深度增加，渗流量减少的一般规律，当防渗墙达到一定深度，渗流量降低趋势趋于恒定，方案三以后的单宽渗流量或渗透比降显示，大坝渗流控制效果降低。分析主要是防渗墙完全封闭覆盖层，能有效地阻断水流影响，与单宽渗流量8.5×10-4m3/s·m 比较，渗流量在设计控制标准内。因坝基防渗墙基本透过覆盖层整体，延长渗径后降低了坝体浸润线，下游坝面无逸出现象，有效保障坝体下游的边坡安全，该防渗体系对降低坝体渗透水头有显著控制作用。

渗透作用下，机械力侵蚀和化学溶蚀影响防渗墙的耐久性，水力梯度变化为根本原因。根据试验表明，高强混凝土防渗墙的允许水力坡度Jp可达80 ～100。参考国内黄河小浪底混凝土防渗墙设计Jp=92。拟定该工程的坝基混凝土防渗墙允许水力坡度Jp=80，上述防渗墙设计均满足要求。

为避免大坝和基岩结合部位产生集中渗漏或者接触冲刷，灌浆帷幕常要深入不透水层基岩的一定深度，按照《碾压式土石坝设计规范》规定防渗帷幕的底部高程应深入相对不透水层5m。国外的阿斯旺、马特马克坝等的帷幕体均深入相对不透水层的深度在10m 以上，本文选定帷幕深入不透水基岩深度5 ～10m。为了保证防渗帷幕体不发生机械管涌破坏，能够足够对抗渗透水的抵抗和侵蚀影响，正常发挥防渗功能，并保证在设置帷幕后，地基足够稳定，覆盖层不发生管涌破坏现象，规范要求防渗帷幕的水力比降要控制在允许范围内。根据《碾压式土石坝设计规范》规定：该类深厚覆盖层建立的防渗帷幕其允许比降为3 ～4。根据工程经验验证，在已建类似工程中实际应用取较大值，渗流通过防渗帷幕的最大水力坡降区间为2 ～10。比如我国密云水库选取6.0；印度吉尔纳坝选用10.0；法国克鲁斯登坝选取8.3。随着竖直防渗深度的加大，一般防渗帷幕体水力坡降的允许值可适当的提高，因该工程深厚覆盖层的地质复杂性，透水性差异较大，地质勘察显示地基中有大孤石、砂层和架空现象。综合考虑，本工程防渗帷幕体设计允许水力坡降为5 ～6。4 种不同设计方案的渗透比降均在控制范围之内，满足渗流稳定性要求。

综合认为，选址在深厚覆盖层地基上的土石坝，垂直防渗方案可有效地截断渗流，在技术实现性和经济合理性的前提下，优先设计垂直防渗方案。从控制渗流量方面来看，防渗效果垂直防渗墙要优于水平铺盖。防渗墙下接防渗帷幕的方案可有效截断坝基渗透水流，是水工设计坝基防渗的一种切实可行的处理措施，在国内外多个水利工程中得以有效验证。本文所采取的方案1、2、3 的防渗墙防渗帷幕的垂直防渗体系对大坝的渗流控制效果显著，当继续加深防渗墙或防渗帷幕，渗流量降低趋于定值，且工程投资将增大。故推荐方案3 作为大坝防渗体系设立的最佳垂直防渗措施。

3 结 论

文章介绍了土石坝渗流分析控制方程及定解条件，阐述了岩土体中水渗流影响的基本原理及运用固定网格法计算渗流逸出面和渗流面中的具体计算过程，基于实际工程建立深厚覆盖层地基上的大坝有限元模型，运用软件ADINA 的ADINA.T 模块建模并计算四种不同垂直防渗体系下，土石坝的渗流量、渗流比降及坝体浸润线，通过不同方案的比选分析能够阻断坝基渗流的最佳垂直防渗措施，对该工程防渗体系的设计优化和施工具有一定的指导作用。