坝壳砂砾石料渗透各向异性对渗流场影响的数值分析

孙语希

【摘 要】渗透破坏一直是水利水电工程的建设当中的难点和重点问题,大坝渗漏量控制和渗透稳定性等问题的研究非常关键,严重制约着工程整体的安全稳定性.文章主要分析沥青混凝土心墙坝建坝的主要防排渗措施,通过建立数值仿真模型,计算并分析坝壳砂砾石料渗透各向异性对渗流场带来的影响.所得结论对指导实际工程具有一定的参考价值.

【期刊名称】《黑龙江水利科技》 【年(卷),期】2018(046)007 【总页数】4页(P15-17,20)

【关键词】渗透破坏;安全稳定性;各向异性;渗流场;数值分析 【作 者】孙语希

【作者单位】大庆地区防洪工程管理处,黑龙江 大庆163311 【正文语种】中 文 【中图分类】TV223.6 1 概 述

在岩土工程中，多数地质灾害造成的工程事故和土中水体运动密切相关。水荷载的增大会造成基质引力降低，有效应力减小使得土体结构破坏同时带来岩土软化等问题。水的增加还会造成土体自重应力的变化，使得抗力降低。渗流时渗透力的改变

还会造成众多不利因素[1]。中国目前的病险坝绝大多数安全问题都是因为渗透问题，导致出现许多垮坝事故。

渗流控制主要是为了降低大坝地基的水体渗漏量，保证水工建筑物的渗透稳定性，这是重中之重的首要问题，一般而言，水利工程的安全控制比渗流控制更加重要。渗流控制分为理论和技术两方面，控制理论是指防排渗和反滤层联合防渗的方式，控制技术是指在坝体的心墙或混凝土面板增加防渗措施，坝基上布设水平铺盖或混凝土防渗墙等措施。 2 渗流控制理论

渗流控制理论主要包括3个时间区段的发展[2]，过程包括如下： 2.1 以防为主阶段

水工建筑物大坝地基渗流控制法则表达式为： L≥CH (1)

式中：L为地基防渗水平段长度；H为水头；C为常量系数，由土壤类别决定。 随着渗流理论的不断完善,表达式深化为 (2) (3)

式中：J平均是平均水力比降。 大坝不透水轮廓的长度表达式为 J出口≤J允许 (4)

式中：J出口为渗流出口的水力比降；J允许为实际允许水力比降。

2.1.2 防排结合阶段

经过不断的实践发现排渗措施可把建筑物中的渗透水排向下游，在导向阶段可以将防渗体的能量进行缓解和释放，过程中使得渗透水流不能随意渗透，这种方式使得地基扬压力的减少，大坝浸润线的下降。但排水方式的应用造成渗径减少，水力比降增加，结果将使渗透破坏加剧，所以在排渗初期不建议使用这种方式进行防渗处理。

2.3 反滤层保护渗流出口阶段

渗透破坏一般都是起于渗流出口，沿着上、下游的强透水体快速渗透。反滤层保护渗流出口这种方式可以有效防止水工建筑渗透破坏。故渗流控制理论研究逐渐演变成防排结合和反滤层联合防渗的方式。随着中国岩土力学理论的不断发展，实践中证明反滤层保护渗流出口的首要性和重要性，因此带来的工程安全性和经济性更为直接。 3 工程实例 3.1 工程概况

某水利枢纽工程位于中国西北地区境内，工程效益以供水为主，兼具发电功效。该工程水库总库容为8.74亿m3，大坝正常蓄水位1493m，死水位14.5m，设计洪水位1493.3m，校核洪水位1494.2m。电站总装机160MW，年发电量4.52亿KW·h[3]。

枢纽工程规模为Ⅱ等大(2)型，主要建筑物由大坝、导流洞、引水发电洞、电站厂房组成。大坝坝型为沥青混凝土心墙砂砾石坝，坝体防渗体为沥青混凝土，垂直防渗设计为防渗墙下接帷幕灌浆的防渗型式。沥青混凝土心墙顶部高程为1496.8m，墙顶厚0.8m，墙底厚1.4m[4]。大坝典型横剖面如图1所示。

图1 水电站沥青混凝土心墙土石坝典型剖面图

3.2 数值模型

计算坐标系X轴为沿水流方向指向下游为正，Y轴为铅直向指向上为正，Z轴为纵向坝轴线方向指向右岸为正。计算模型沿大坝上、下游面各取200m，地基竖直向下取200m。模型单元剖分选取八结点六面体等参单元，沥青混凝土心墙和混凝土防渗墙的单元划分网格加密，总计剖分单元2362个，结点3624个。大坝及坝基等模型网格剖见图2，大坝模型单元网格剖分见图3所示。 图2 大坝坝体及坝基三维有限元模型

图3 大坝坝体三维有限元模型

边界条件：上、下游侧面和坝基面为不透水边界，上游坝面为已知水头边界，下游为自由边界。

坝体各区材料参数和覆盖层各地层的渗透系数如表1所示[5]。

表1 坝体及坝基各区材料渗透系数取值材料名称渗透系数/m·s-1备注坝基砂卵砾石层2.9×10-4厚度30m基岩5.0×10-7厚度60m混凝土防渗墙5.0×10-9厚1.0m,深180m坝体坝壳砂砾石料3.0×10-4—过渡层1.0×10-4水平宽5m沥青混凝土防渗墙1.0×10-9厚1.2m反滤层2.5×10-3厚2.0m排水棱体1.0×10-2—

渗透各向异性是坝体砂砾石料在施工碾压中会出现水平分层，造成渗透系数水平向大于垂直的现象。定义X向与Y向渗透系数不同的比值来说明坝体砂砾石料的各向异性，进而得出渗流变化和分布规律。不同渗透各向异性下渗透系数取值见表2所示。

表2 渗透各向异性不同取值的坝壳料渗透系数比值渗透系数/m·s-1kxkykzkx/ky=13.0×10-43.0×10-43.0×10-4kx/ky=26.0×10-43.0×10-43.0×10-4kx/ky=39.0×10-43.0×10-43.0×10-4kx/ky=51.5×10-33.0×10-

43.0×10-4 3.3 计算结果

表示X向与Y向水平渗透系数比值为1、2、3、5时的渗流场水头等值线分布图见图4-7，各工况下渗流变化情况见表3。 图4 kx/ky=1时渗流场水头等值线图 图5 kx/ky=2时渗流场水头等值线图 图6 kx/ky=3时渗流场水头等值线图

图7kx/ky=5时渗流场水头等值线图表3 坝体砂砾石料kx/ky比值不同时渗流要素统计表

kx/ky心墙下游浸润线高度/m单宽流量/m3(d·m)-11217.08300.862216.91301.263216.29306.725215.82309.78

从上述等值线分布图和表中数据对比可得出：若坝体下游不步排反滤和排渗措施，渗透各向异性计算得出的心墙下游浸润线位置要略低于不考虑渗透各向异性的结果，但总体而言差别不大。坝体渗透的单宽流量在2种情况下的差别也不明显。从而认为坝体砂砾石料渗透各向异性对大坝渗流稳定性影响不大，在实际渗流计算中可以忽略不计。 4 结 论

文章基于渗流控制和有限单元法的理论分析，对建于特殊地基上的沥青混凝土心墙坝建立三维有限元数值模型，分析了坝壳砂砾石料渗透各向异性对渗流场的影响。计算分析的结果表明，解决深覆盖层地基渗流问题的最为直接有效的办法是完全封闭地层，下游的反滤和排渗措施都能够一定程度上降低坝体浸润线，砂砾石料碾压填筑的大坝结构，可以忽略砂砾石料的渗透各向异性对渗流稳定性的影响。 参考文献：

【相关文献】

[1]顾慰慈．渗流计算原理及应用[M]．北京：中国建材工业出版社，2000：3-4.

[2]侯治，贾玉爱．土石坝透水地基的渗流控制方法[J]．太原理工大学学报，2003，34(03)：361-363.

[3]王勖成，邵敏．有限单元法基本原理和数值方法[M]．北京：清华大学出版社，1997：1-6. [4]余学明．冶勒水电站坝基防渗处理设计[J]．水力发电，2004，30(11)：46-49. [5]刘杰．砂砾石地基上闸坝渗流控制原理与方法[J]．水电站设计，1997，13(4)：12-19.