考虑土石坝坝基接触带性能演化的渗流稳定分析

刘妍 李毅

摘  要：为分析土石坝在渗流及变形长期作用下坝基接触带性能及变化规律，基于水力耦合的分析方法，以某水库工程不同时期得到的坝基和坝基接触带渗透系数，建立土石坝坝基接触带渗透性能与力学参数演化模型，把握坝体及坝基材料物理力学特性、渗透特性的演化规律，对水库长期处于正常蓄水位情况下的渗流场及应力场进行分析。研究表明，由于水流的长期渗流作用，导致坝基接触带中的土壤流失，渗透系数增大，进而导致通过坝坡面、两岸山体的渗漏量增大。考虑水力耦合对坝体变形稳定的影响，研究发现，在水库运行期间，坝基接触带的强度是不断降低的，接触带的屈服区增加，变形量不断增大，安全系数随运行时间的增加不断降低。

关键词：土石坝；坝基接触带；渗透性能；演化模型；水力耦合

中图分类号：TU46      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）17-0076-06

Abstract： In order to analyze the performance and variation law of dam foundation contact zone of earth-rockfill dam under the long-term action of seepage and deformation， based on the analysis method of hydraulic coupling， based on the permeability coefficient of dam foundation and dam foundation contact zone obtained in different periods of a reservoir project， the evolution model of permeability and mechanical parameters of earth-rockfill dam foundation contact zone is established， and the evolution law of physical and mechanical properties and permeability characteristics of dam body and dam foundation materials are grasped. The seepage field and stress field of the reservoir under the condition of normal water level for a long time are analyzed. The study shows that due to the long-term seepage of water flow， the soil in the contact zone of the dam foundation is lost， and the permeability coefficient increases， which leads to the increase of leakage through the dam slope and the mountains on both sides. Considering the influence of hydraulic coupling on the deformation and stability of the dam， it is found that during the operation of the reservoir， the strength of the contact zone of the dam foundation decreases， the yield zone of the contact zone increases， the deformation increases， and the safety factor decreases with the increase of running time.

Keywords： Earth-rockfill dam; dam foundation contact zone; permeability; evolution model; hydraulic coupling

土石坝坝基接触带指自然基础与坝体填土接触部分，重点指土石坝坝体防渗心墙与坝基防渗帷幕结合部位，坝体防渗体与坝基防渗体由于组成成分、结构、力学特性等方面差异，两者在长期运行过程中（如库水位涨落）时常出现变形不协调、渗漏情况各异等现象，造成土石坝渗漏破坏[1]。为了保证水库大坝的安全运行和人民生命财产安全，需要从宏观及微观角度对土石坝坝基接触带进行破坏机理研究。随着计算技术的发展，相关的分析软件已逐渐完善，如GEO-STUDIO、ABAQUS、ANSYS等，国内也有部分学者针对水力耦合进行了研究，田东方等[2]考虑了坡面径流的影响，依据试验结果提出了坡面径流-非饱和土水力耦合分析方法，并编写了对应的有限元程序，但未考虑到渗流场对非饱和土体强度参数的影响。刘祎等[3]以平均土骨架应力、修正吸力和温度为应力变量，以比体积和饱和度为应变变量，建立了非饱和土的热-水-力全耦合本构模型。本文通过建立有限元法计算渗流与有限差分法计算应力场的双场间接耦合方法，可对特定计算参数进行公式修正，提高交替迭代过程中程序代码的结果准确性，弥补了FLAC3D软件对渗流场计算时，计算效率低、耗时长的缺点。

1  土石坝坝基接触带水力耦合分析方法研究

1.1  坝基接触带水力耦合分析方法

渗流与应力（或变形）的耦合现象是客观存在的。坝基接触带受到上部填筑荷载的作用必然会被压实，孔隙度减小，而块体之间的挤压、研磨，可能使块石边缘压裂甚至压碎。实验研究表明，接触带的渗透特性及变形特性决定于其成因、物质组成、结构特征及厚度等。由于坝基接触带上、下2层土体材料性质差异较大，具备发生管涌与流土的条件，需进行必要的防渗处理。

由于坝基接触带结构松散、不连续，在水平和垂直方向有较大变化、成因类型复杂、物理力学性质呈较大不均匀性的特点，并且坝基接触带在上部坝料的填筑以及大坝的蓄水过程中，其应力状态将发生变化，粗颗粒发生挤压、研磨，甚至出现尖端破裂现象，从而导致接触带土体材料孔隙率和渗透特性发生变化。因此，接触带的渗透特性不仅与颗粒级配和初始碾压状态密切相关，还受到应力状态的影响[4-5]。接触带的渗透特性在本质上受控于其内部连通的孔隙率或密实度，目前还没有提出关于坝基接触带一般性的耦合机制。但是从坝基接触带的颗粒级配上来说，坝基接触带主要还是以粗颗粒（粒径）为主，可以借鉴类似堆石体耦合机制来探讨接触带的水力耦合机制。如陈益峰等[6]通过对水布垭面板堆石坝的研究，建立了高面板堆石坝非线性变形与非稳定渗流的水力耦合模型。

根据A.F.Gangi于1978年提出的数学模型

式中：K为渗透系数；σ为有效应力；C0为系数，一般取2～4；k0为表层或松散状态下材料的渗透系数，可取材料的室内试验值；Ek为块石的体积模量。对于碾压堆石结构，不同部位的σ都是变化的，而应力的变化将同时导致Ek和K的变化。

借助于多孔介质的Kozeny-Carman 方程，则接触带的渗透系数k与孔隙率n之间的关系可表示为

式中：k0为接触带初始的渗透系数；n0为初始孔隙率。

在小变形假设条件下，根据接触带颗粒的质量守恒方程，可将堆石体的孔隙率表示为体积应变的负指数函数

n=1-（1-n）exp（-βεv）， （3）

式中：β为修正系数。当忽略接触带颗粒的变形时，β=1。

但为了考虑颗粒变形及尖端破裂等因素对孔隙率的影响，可根据接触带的级配曲线，采用2009年周伟等建立的随机散粒体不连续变形模型，通过数值模拟给出接触带在不同围压条件下的偏应力-轴向应变和孔隙率-体积应变等关系曲线，从而得到接触带与围压的最佳拟合公式。

1.2  坝基接触带水力耦合计算过程

在双场耦合分析方面，目前大致有2类方法：一是将两场分开计算，然后通过两场的交叉迭代达到耦合的目的，即间接耦合法；二是建立以应力场和渗流场为未知量的数学模型，通过直接求得解答达到完全耦合的目的，即直接耦合法[7]。本文采用迭代法即间接耦合法，渗流场和应力场耦合分析计算主要内容为：分别进行初始的渗流场与应力场，将渗透力与应力场叠加，确定新的渗流场与应力场，循环迭代直至满足收敛条件，具体流程如图1所示。

2  研究区域与资料分析

2.1  工程概况

本项目以湖南省某水库为例，开展对土石坝坝基接触带的一系列研究。该水库大坝为土坝，最大坝高为15 m，坝顶高程为159.5 m，水库正常蓄水位为157.8 m，死水位为145.5 m，是一座小（1）型水利工程。

2.2  坝基接触带性能演化

2.2.1  坝基接触带渗透性能演化

根据该水库以往的现场地质勘测工作，以有限的资料进行相应的分析归纳，近似采用一次函数对材料的渗透系数演化规律进行拟合，坝基接触带的渗透系数随时间的变化规律曲线及相应拟合曲线如图2所示。

坝基接触带渗透系数随时间变化的拟合曲线方程为

k=1.179×10-5 t-0.023， （4）

式中：k为渗透系数；t为年份。

2.2.2  坝基接触带力学参数演化

整理该水库大坝历年地质勘测资料后，发现坝基接触带材料的黏聚力与摩擦角均随时间增加而降低，但因地质勘测资料较少，难以看出规律。但借鉴均质土坝黏聚力与摩擦角随时间变化规律并将其归纳后，可以认为坝基接触带材料力学性能将随时间推演至某一收敛值。

由于坝基接触带土体材料长期处于浸润线以下，水的流动带走部分土体颗粒，导致土体内部颗粒重排，坝基接触带的土体结构会发生一定程度变化。

根据历史监测资料，反算相关折减系数，改变折减系数逐次计算，直至当折减系数到达某一值时，当年测点沉降计算值将极其贴近于监测值。将反演得到的折减系数随时间变化进行函数拟合，拟合曲线如图3所示。

拟合表达式

k=1.00-0.012 57（t-2 000），2 000?t 。 （5）

2.3  渗流及稳定性分析

2.3.1  有限元模型

通过收集该水库主坝坝区的地质地貌、水文信息等，依据枢纽布置方案，建立包括左岸山体，右岸条形山及主坝部分的地形地貌创建三维可视化模型。其中，以主坝坝轴线为x轴，垂直坝轴线方向为y轴，高程作为z轴。有限元模型共有单元177 241个，节点97 592个。有限元模型范围如下：①取大坝上游边界距坝轴线垂直距离约87 m，大坝下游侧边界距坝轴线垂直距离约84 m；②模型最低高程取正常蓄水位157.8 m以下约48 m，模型底部高程约为110 m；③整个计算模型上、下游边界相距约244 m，左边界相距大坝中心线121 m，右边界相距123 m。主要模型如图4所示。

2.3.2  计算参数及计算条件

本文选取水库工程三维渗流分析模型以大坝和坝基渗控设计方案为主要参考依据，在三维有限元模型中，渗流计算模型范围：XY 245.48 m×172.09 m。模型中水工建筑物包括主坝坝体、排水棱体、防渗墙及防渗帷幕。

该水库模型边界条件设置为：①上游坝面前库水淹没区、上游水位以下的上游坝面节点及上游水位下两岸山体区域取上游定水头边界；②下游土石坝坝体、排水棱体及两岸山体处等在下游水位以下的表面节点取下游定水头边界；③模型顶部未被水浸润区域设置为溢出边界；④模型底部边界取隔水边界。

本文中水库渗流场计算均取其正常运行工况时水位，上游运行水位为157.8 m，下游无水。根据渗流场分析结果，针对正常运行工况下开展坝区典型工况渗流场特性分析。为了更直观地展示坝区渗流场的规律，选取了坝区中心剖面进行渗流计算成果的展示。计算参数见表1。

2.3.3  渗流计算成果分析

1）原始渗流场规律。

采用表1所示渗透系数对水库坝体及坝基三维整体渗流场进行计算，计算结果如图5所示。

从图5中可以看出，在主坝的典型剖面段，自由面呈逐步降低趋势，自由面在坝体自上游向下游有一次明显的急剧下降段，由于坝体存在冲抓回填与灌浆帷幕，自由面在帷幕处急剧下降，说明帷幕防渗效果十分显著，其他部分相对平缓，在下游排水棱体处水位下降有所加快，排水棱体有效地降低了浸润线。下游坝坡在高程145.3 m左右出现渗流溢出点。从图中还可以看出，自由面在坝体内部的分布特征完全满足光滑连续和单调下降这2个基本几何性质，因而渗流计算成果在理论上是正确的。

在水库正常蓄水位作用下，最大渗透坡降出现在防渗帷幕处，达到6.48；在排水棱体处渗透坡降达到了0.72左右；大坝内部其他地方及地层内的渗透坡降均小于0.4。

2）坝基接触带渗透性能演化计算分析。

采用公式（4）对坝基接触带进行演化分析，相关计算结果见表2。

从表中可以看出，随着运行时间的增加，通过坝坡、山体左右岸的渗漏量都有一定程度的增加，这是因为在水库运行的过程中，由于渗流的作用，坝基接触带内的土壤细颗粒随水流缓慢流失，导致渗透系数增大，进而引起渗漏量的增大。图6是水库运行不同时间阶段典型剖面的渗透坡降矢量图，从图中可以看出，随着水库运行时长的增加，最大渗透坡降值不断增加，涨幅约1.2%。

2.4  变形稳定计算成果分析

2.4.1  计算参数及计算条件

在本次计算过程中，选择了FLAC3D中内置的Mohr-Coulomb模型。开展计算时，因模型四周均位于山体中，故在四周边界施加法向约束，模型底部在Z=110 m施加固定约束。值得注意的是，本文应力变形计算以水库建成蓄水后为初始状态，计算的大坝变形均为蓄水后的累积变形。

2.4.2  应力计算成果分析

图7为水库长期处于正常蓄水位条件下的不同阶段下的塑性区分布图，随着运行时间的增加，坝基接触带上的塑性屈服区由中心向上下游不断增加的，这是由于坝基接触带的细部颗粒在渗流的作用下不断流失，导致坝基接触带的强度不断下降。

图8为水库长期处于正常蓄水位条件下的不同阶段下的最大剪切应变增量图。从水库开始运行至水库运行15年，通过FLAC3D自带强度折减法计算得出水库坝体的抗滑稳定安全系数由1.98降至1.793，降低幅度约为9.4%。

2.5  小结

通过对土石坝坝基接触带渐进破坏机理与安全控制措施进行研究，基于水力耦合分析方法，以某水库工程为例，建立了坝基接触带性能演化模型。主要结论如下：

1）水库长期处于正常蓄水位情况，由于水流的长期渗流作用，导致坝基接触带中的土壤流失，渗透系数增大，进而导致通过坝坡面、两岸山体的渗漏量增大。

2）考虑水力耦合对坝体变形稳定的影响，研究发现，在水库运行期间，坝基接触带的强度是不断降低的，接触带的屈服区增加，变形量不断增大，最大变形量为6.966 mm，心墙以下接触带出现少许应力集中范围，最大压应力为1.344 MPa。

3）计算所得坝体抗滑稳定安全系数随运行时间的增加不断降低，由1.98降至1.793，降低幅度约为9.4%。

3  结论

目前针对土石坝坝基接触带安全控制措施较多，主要以各类防渗墙、灌浆防渗及土工合成材料防渗等垂直防渗为主。采取此类防渗措施，一般不需要放空水库。反之，如果采取水平防渗措施，则必须放空水库，才能彻底进行。而水库长期蓄水后，总会有些淤积，给水平防渗处理带来一定的困难；在保持坝基渗透稳定和截渗方面，水平防渗也不如垂直防渗彻底。

在实际工程中，通常采用的垂直防渗措施有混凝土防渗墙、高压喷射灌浆、垂直铺塑、深层搅拌桩防渗墙、充填灌浆和帷幕灌浆等。加固处理设计时应考虑不同的坝基接触带渗漏严重程度、接触带的破坏形式、当地材料和施工条件等因素，采取一种或多种处理方法相结合的防渗处理措施。

参考文献：

[1] 刘妍.灌浆技术在坝基接触带处理中的应用[J].河南科技，2020（1）：99-101.

[2] 田东方，刘德富，王世梅，等.土质边坡非饱和渗流场与应力场耦合数值分析[J].岩土力学，2009，30（3）：810-814.

[3] 刘祎，蔡国庆，李舰，等.非饱和土热-水-力全耦合本构模型及其验证[J].岩土工程学报，2021，43（3）：547-555.

[4] GALLIPOLI D， WHEELER S J， KARSTUNEN K. Modelling the variation of degree of saturation in a deformable unsaturated soil[J].Géotechnique，2003，53（1）：105-112.

[5] GALLAGE C， UCHIMURA T. Effects of dry density and grain size distribution on soil-water characteristic curves of sandy soils[J].Soils and Foundations，2010，50（1）：161-172.

[6] 陈益峰，周创兵，毛新莹，等.水布垭地下厂房围岩渗控效应数值模拟与评价[J].岩石力学与工程学报，2010，29（2）：308-318.

[7] 王凯，邹斌，杨丽虹，等.幸福水库大坝渗流安全分析及评价[J].人民珠江，2019，40（10）：110-115.