高土石坝稳定——非稳定渗流有限元分析（刘晓庆,郑来元,刘佳）

摘要：在心墙土石坝设计中，心墙是坝体的防渗部分，它对坝的稳定起着至关重要的作用。本文结合工程的实际情况，考虑非饱和区的影响，在不同心墙体积的情况下，分别对其进行渗流计算分析，来探讨渗流场的分布情况和自由面的变化规律，为大坝结构设计和施工提供基础资料和参考依据。

关键词：土石坝心墙自由面渗流场非饱和区

AnalysisofSteadySeepageAndUnsteadySeepageinHighEarth

Rock-fillDamBasedonFiniteElementMethod

LIUXiao-qing1ZhengLai-yuan2LIUJia1

Abstract：Indesigningtheearth-rockdamwithcorewall,corewallisimpermeablepartofthedam.Itplayanimportantroleinthestabilityofdam.Thisarticletakestheactualsituationofprojectasabackground,consideredtheinfluenceoftheunsaturatedzoneoftheearth-rockdamandsizeofcorewallindifferentcircumstances,seepagecalculationwillbecarriedouttodiscussesthedistributionofseepagefieldandchangeruleoffreesurface,thiswillprovidethebasicdataandreferenceforthedesignandconstructionofthedam.

Keywords：theearth-rockdamcorewallfreesurfaceseepagefieldtheunsaturatedzone

一、前言

土石坝中的心墙是坝体的防渗部分，在坝体的运行中主要起防渗作用，而大坝的稳定主要依靠上、下游的坝壳来维持[1]。在土石坝的设计中，由于上下游坝坡有稳定验算的需要，设计者往往只注意下游坝壳内的浸润线位置，而实际上土石坝中心墙内的浸润线尤其是浸润线逸出点的位置也十分重要，它不仅决定着心墙下游反滤设施的保护范围，也涉及到心墙连同坝壳共同滑动时的荷载计算问题[2～3]。加之在高山峡谷地区、深厚覆盖层河道上的超级高坝工程来说，目前国内外尚没有在厚度超过50m的深厚覆盖层地基上建成坝高超过200m的高土石坝的工程实例，国内也缺乏在高山峡谷地区建设300m级心墙堆石坝的设计和施工经验，而国外在高山峡谷地区建设300m级心墙堆石坝的实例也不多[4]。故在高山峡谷地区、深厚覆盖层河道上的超级高坝，对其进行渗流计算分析尤为重要，从而心墙的设计便成为一个关键性问题，本文结合某工程的实际情况，在不同心墙体积的情况下，分别对其进行渗流计算分析，来探讨渗流场的分布情况和自由面的变化规律，为工程大坝结构设计和地基处理设计等提供必要的技术和理论支持，确保工程大坝建设和运行的安全，也为今后我国同类工程的设计积累经验和提供参考[5]。

二、工程概况

某工程拟建于大渡河流域上，是大渡河流域上水电梯级开发的上游控制性水库，是大渡河流域水电梯级开发的关键性工程之一。坝址处控制流域面积39330km2，年径流量166亿m3，多年平均流量527m3/s。坝址区河谷属高山深切曲流河谷，出露地层岩性主要为燕山早期木足渡似斑状黑云钾长花岗岩和晚期可尔因二云二长花岗岩，地震基本烈度为7o；河床覆盖层深厚（最厚约67.8m）；坝址区无区域性断裂切割。

拦河大坝采用砾石土心墙堆石坝，砾石土心墙堆石坝坝顶高程2508.00m，坝顶长度约642m。河床部位心墙底高程2202.00m，最大坝高312m（含6m厚基座），坝顶宽度16.00m。上游坝坡为1:2.0，下游坝坡1:1.90。心墙顶高程2508.00m，宽4.00m，与防浪墙进行可靠连接，并高于最高静水位（2504.51m）；心墙上、下游坡初选均为1:0.2，心墙底部与新鲜基岩相连，最大断面心墙底高程2202.00m，顺河向宽度为128.00m。

三、有限元模型的建立

计算模型所选剖面为大坝的最大横剖面，如图1（略）所示，计算模型包括上下游堆石体、上下游过滤层、上下游反虑层、心墙、上下游覆盖层9个材料区，计算模型坐标分别为X轴顺河指向下游为正，Y轴沿坝高铅直向上为正，计算选取范围分别为：水平方向自距上游坝坡300m处至距下游坝坡300m处，铅直方向自坝顶至基岩面；边界条件：上下游坡面为水头边界，AB、CD为零流量边界，BC为基岩不透水边界；图2所示心墙上、下游坡初选均为1:0.2的网格图，其剖分为8707个节点，17024个单元，大坝典型剖面图(见图1）、有限元网格图(见图2<图略>）

四、稳定渗流计算参数和工况的选取

坝体材料参数表1，水库特征水位：正常蓄水位为304m，下游水位55.21m；固定上下游水位，固定心墙高度，不改变坝体材料渗透参数，分别取心墙上、下游坡均为1：0.1、1：0.15、1：0.2、1：0.25和1：0.3五种工况来对大坝进行稳定渗流计算，计算限于篇幅，仅列出了工况三（工程初选的心墙上、下游坡均为1：0.2）的计算网格图如图2（略）所示。计算初拟材料参数。

1.稳定渗流计算成果分析

(1)压力水头分布特征

计算结果如图3（略）至图7（略）所示图3至图7显示了不同工况下的压力水头等值线图（线上的数值为压力水头值，蓝色线为浸润线），从图中可以看出：由于心墙材料渗透系数和其他各区渗透系数相差较大，水头相当于直接作用在心墙上，心墙内的水压力分布较密、较陡，近似斜直线分布，心墙前面的压力水头线趋近于水平；浸润线随心墙体积的加逐渐离开心墙下游边坡，其中工况1中的浸润线紧贴心墙下游边坡，说明水流较容易穿过心墙向下游流动，起不到很好的防渗效果，给大坝的稳定带来不安全因素。工况5中，由于心墙体积大，渗径加，水流较难穿过心墙，防渗效果较其它工况显著，但可能加造价，故心墙的设计和施工需根据工程的实际情况而定。

(2)心墙下游坡逸出高度、渗漏量、渗透坡降变化特征

通过计算得出不同工况下心墙下游坡逸出高度、渗漏量、渗透坡降变化值见表2（略），不同工况下心墙下游坡逸出高度变化图如图8所示，不同工况心墙渗流量和水平坡降变化图如图9（略）所示。

从表2、图8和图9可以看出：随着心墙体积的加，心墙下游坡的逸出高度、渗流量、水平坡降均呈单调变化，即越来越小。其中，心墙下游坡的逸出高度在56m~57.5m之间变化，其变化幅度不大；渗流量在3m3/d~8m3/d之间变化，其变化幅度较大，由于心墙较薄，更多的水流将穿过心墙，故工况1时为最大，工况2次之，因此，要想保持坝体稳定，必须做好防渗措施，若心墙较薄，其施工难度较大，危险系数较大。水平坡降则在0.7~2之间变化，变化幅度也相对较大，其中由于工况1心墙体积小，减小了渗径长度，造成坡降大为1.945，工况3~工况5中，其值相对较小变化也较平稳，因此，要想控制坡降在较小范围内，保证心墙下游坡的稳定，心墙体积不宜过薄，同时做好排水设施。

2.非稳定渗流计算参数和工况的选取

对于非稳定渗流，土体的渗透系数、给水度和水库水位下降速度都影响着渗流自由面的变化。给水度?滋是仅次于渗透系数k的决定渗流自由面下降速度的主要因素，?滋愈大，自由面下降速度越漫，同时流场内部水头的消散也慢，不利于坝坡的稳定，其取值通常采用南京水科院和瑞士工学研究所试验资料拟和公式：

假设上游水位每天以2m/d的速度从正常水位下降至死水位，保持下游水位不变，来对大坝进行非稳定渗流计算，工况见表3，计算时步见表4。

非稳定渗流计算成果分析（见图10至图15<图略>）

从图10至图14可以看出，库水位下降浸润线也下降，心墙上游坝壳浸润线下降几乎和水位下降同步，比较平缓；下游坝壳中的自由面基本与下游水位保持在同一水位，由于坝壳和心墙的渗透系数相差很大，心墙渗透系数很小，心墙内自由面的下降变化很陡，自由面变化很慢，但无论哪种工况的心墙体积，心墙内自由面的变化都很相似，自由面都是向下弯曲的；随着心墙体积的大，自由面下降速度越慢，自由面变化到稳定需要时间越长，比如：工况一中（见图11）的自由面趋于稳定时间约为109d（第13个时步），而工况五中（见图14），则需要669d（第16个时步）；同时，由于非饱和区域的影响，心墙内自由面附近土体逐渐释水，心墙内的渗透水来不及消散，故心墙内浸润线下降便严重滞后水库水位下降，这时饱和孔隙水排出时产生了顺坡向的渗流动水压力将影响坝坡的稳定，应该注意其防护工作。尤其在较薄心墙坝中，心墙内的孔隙水压力一直都很高，渗流坡降较大，这时更应该重视心墙的边坡稳定。

五、结语

1.在稳定渗流中，心墙越薄，渗流量、心墙下游逸出高度和渗透坡降越大，说明水流较容易穿过心墙向下游流动，防渗效果差，给大坝的稳定带来不安全影响，且其施工难度较大，危险系数较大。若心墙越厚，虽然防渗效果较为显著，但可能加造价。故要想保持坝体稳定，安全运行，又要经济建坝，必须做好防渗措施，心墙的设计和施工需则需根据工程的实际情况而定。

２．在非稳定渗流中，随着心墙体积的大，自由面下降速度越慢，自由面变化到稳定需要时间越长，尤其在较薄心墙坝中，薄心墙内的孔隙水压力一直都很高，渗流坡降较大，饱和孔隙水排出时产生了顺坡向的渗流动水压力比起厚心墙产生的动水压力将更加影响坝坡的稳定，这时需重视心墙体积的选取和设计。

3.在超高坝建设中，心墙的防渗成为关键性问题，通过改变心墙体积来进行有限元渗流计算分析，为今后大坝的结构设计和施工提供基础资料和参考依据。

参考文献

[1]韩瑜,李松德.土石坝心墙内浸润线的逸出高度[J],西安,西安理工大学学报,2000，（2）204~206

[2]毛昶熙.渗流计算分析与计算[M],北京:水利电力出版社.1990:62-68.

[3]张家发.土坝饱和与非饱和稳定渗流场的有限元分析[J],长江科学院院报.1994(9):41-45

[4]张爱军等.高心墙土石坝三向渗流问题的研究[J].人民长江，2004，（5）13~15

[5]高骥,雷光耀,张锁春.堤坝饱和非饱和渗流的数值分析[J],岩上工程学报1988，10(6):28-37

作者简介

刘晓庆，男，苗族，出生于1980年10月，助理工程师,籍贯：贵州省安顺市。