耦合作用下蓄水速度對心墻壩滲流性態的影響分析

尹偉強+傅瓊華+高江林+周清勇+彭圣軍

摘要：：水庫初次蓄水速度直接影響土石壩的滲流安全，水位上升使得壩體內應力場復雜多變，影響滲流性態，而忽略應力場影響對滲流分析易造成偏差。基于飽和-非飽和土滲流理論，在考慮初始應力場和滲流場的基礎上針對蓄水速度對滲流場的影響進行數值模擬，并對比和研究了蓄水過程中考慮和不考慮應力場影響下的滲流性態。結果表明，蓄水速度較慢時，應力對各水力要素影響不明顯，提高蓄水速度，心墻上游局部存在較大的水力梯度，孔隙水壓力突變并集中分布，對壩體不利，考慮應力耦合影響計算結果偏于安全。因此，初次蓄水滲流分析有必要考慮應力場的影響，并嚴格控制初次蓄水速度。

關鍵詞：心墻壩；流-固耦合；蓄水速度；滲流性態

中圖分類號：TV139.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）04-0168-07

Abstract：The initial impounding speed directly affects the seepage safety of the earth-rock dam，water rising makes the stress field of the dam complicated and changeable，it may impact seepage state，while ignoring the influence of stress field on the seepage analysis is easy to cause some deviation.Based on the saturated- unsaturated seepage theory，In consideration of the initial stress field and seepage field，analysis the influence of seepage state with different impounding speed by using numerical simulation，then compared and studied seepage behavior under the influence of stress field.The results show that at slow impounding speed，the stress has inconspicuous influence on the hydraulic factors.Increasing impounding speed then local existence of large hydraulic gradient，pore water pressure mutated and clustered，these adverse to the dam，the calculation result is safer when considering the seepage-stress coupling.Therefore，it is necessary to consider the influence of the stress field on the first water storage seepage analysis，and strictly control the initial water impounding speed.

Key words：core dam；seepage-stress coupling；impounding speed；seepage state

土石壩滲流問題長期以來為工程界所關注，由滲流引起的破壞與變形是造成土石壩失事和潰壩的主要原因之一，且滲透破壞大多數出現在蓄水初期[1-2]。水庫初次蓄水時，心墻處于非飽和狀態，庫水位快速上升使得水流不能及時滲入心墻，形成了心墻內外的水壓力突變，易引起滲透破壞[3]。美國的提堂（Teton）大壩就是由于初次蓄水時心墻壩料接觸部位形成逐漸內部沖刷并發展為管涌，導致大壩決口破壞[4]；奧地利Gepatsch心墻壩在初次蓄水后壩頂出現嚴重的縱向裂縫、壩殼濕陷變形等現象。

以往的滲流研究中，對初次蓄水速度的影響研究較少[5-7]，著重于研究庫水位變化對滲流場和應力變形等方面的影響[8-12]，而對土壩滲流場的研究往往忽略了早期施工初始應力場、滲流場及蓄水過程應力耦合作用的影響，未能反應實際狀態下的滲流場。事實上，土壩施工期由于壩料初始含水率及土料受力壓密變形的影響，存在較大的孔隙水壓力及壩體變形，直接影響蓄水初期的滲流性態[13]。壩體應力變形與滲流之間存在復雜的耦合作用，滲流通過改變作用在土體的滲透體積力和滲透壓力而改變有效應力分布，應力通過影響土體的體積應變和孔隙比而影響滲透系數，改變土體滲流流速和孔隙水壓力的分布[14]。因此，有必要在研究初次蓄水速度時考慮應力場-滲流場耦合作用對壩體滲流性態的影響。

為此，本文基于飽和-非飽和土滲流理論，結合實際工程，建立了多孔介質材料的滲流場與應力場耦合分析的非線性數學模型。從孔隙水壓力、滲透流速、水力梯度等方面研究，并對比不同蓄水速度下考慮和不考慮應力場影響的滲流性態，為今后類似工程的設計和運行管理提供科學合理的依據。

1 計原算理與實施

1.1 平衡方程

2.1 計算模型及概況

東谷水利樞紐工程位于江西省安福縣境內的東[HJ2.25mm]谷河上，水庫總庫容1.257億m3，電站裝機容量16 MW，是一座以灌溉和發電為主、兼顧防洪等綜合利用的大（二）型水庫。工程于2009年12月基本建成并開始下閘蓄水，攔河壩采用黏土心墻壩，壩頂高程149.80 m，最大壩高67.8 m。大壩防滲心墻位于大壩中心部位，心墻材質為粉質壤土和重粉質壤土，心墻上游設過渡層、下游側設反濾層，上下游壩殼采用石碴混合料，下游壩趾設堆石排水體，壩體最大剖面見圖1。

為比較和研究不同蓄水速度對壩體滲流性態的影響規律，計算工況同時按考慮和不考慮應力場的影響進行滲流計算。耦合分析中，需各自定義應用位移和水力邊界條件，上、下游水位以下的入滲面及出逸面屬第一類邊界，對于庫水位上升的非穩定滲流，上游迎水面為變水頭邊界，蓄水速度分別以0.5 m/d、1.0 m/d、2.0 m/d線性增加至正常蓄水位146.0 m，下游水位取85.98 m。壩基設無限區域并施加x、y兩向約束，壩坡面及其余邊界均為自由邊界，各工況下耦合計算的初始條件和邊界條件與非耦合計算中相同。

3 計算結果分析

為了更直觀和準確的分析水庫蓄水速度及應力場對心墻壩滲流場的影響，在心墻區及壩殼料區選取A、B兩個監測點。追蹤其滲透特性隨水庫蓄水速度的變化。監測點布置詳圖見壩料分區圖1，結果分析如下。

3.1 蓄水速度對壩體孔隙水壓力的影響

心墻孔隙水壓力一部分來自壩體填筑過程中壩體自重荷載引起的體積力，另一部分是初次蓄水后水流滲入心墻引起的水壓力。由于心墻內的水與心墻上游水不連通，致使心墻內外的孔隙水壓力是突變的[18]。圖4為不同蓄水速度下庫水位上升至正常蓄水位146.0 m時心墻內孔隙水壓力分布圖。結果表明，浸潤線順著壩殼料向心墻下游延伸，浸潤線上升相對庫水位上升而言，存在滯后現象，且蓄水越快滯后現象越明顯，同時壩體內孔隙水壓力有所減小；蓄水速度為0.5 m/d時，壩殼料浸潤線大致呈水平，心墻承擔大部分水頭，浸潤線下降平緩。蓄水速度為2.0 m/d時，浸潤線變化逐漸向上游轉移，水頭損失集中至心墻上游面附近，心墻內浸潤線下降較陡。究其原因，由于心墻土料的滲透系數較小，浸潤面推進較慢形成穩定滲流需要很長的時間。當蓄水較慢時，壩體內浸潤線能隨水位緩慢上升，心墻內能及時達到飽和。反之，隨著蓄水速度的增大，水流來不及滲入心墻，壩體內浸潤線不能隨水位同步上升，壩體內飽和區范圍變小。

考慮耦合作用后，心墻內飽和區域范圍及孔隙水壓力值均有所減小，考慮應力場影響使得浸潤線下降變陡，孔隙水壓力等勢線突變并集中分布現象顯著，且蓄水速度越大受應力場影響越明顯，這意味著心墻局部存在較大的水力梯度，這對壩體來說是不利的。這是由于蓄水初期，壩體填土料浸水少，壩體內孔隙水壓力小而有效應力較大，土顆粒受力壓密變形，因此受應力影響的滲透系數顯著低于不考慮應力的滲透系數，致使耦合分析所得的浸潤線較低，孔隙水壓力也較低。

圖5為不同蓄水速度下壩體有效應力分布圖。壩體蓄水后由于浮力和水壓力的影響，心墻上游側壩殼的大主應力低于下游側的大主應力，心墻應力拱效應逐漸消失。同時由于心墻受水壓力作用，上游壩殼料部分區域小主應力降低至接近于零。蓄水速度增大，浸潤線上升緩慢，壩體內孔隙水壓力變化滯后，使得壩體內仍存在明顯的拱效應。已有研究表明，墻前水位上升快和心墻拱效應是水力劈裂發生的條件之一[19]。因此，水庫加快初次蓄水速度不利于心墻有效應力分布，影響壩體安全。

3.2 蓄水速度對滲透流速的影響

圖6是壩軸線斷面上不同點的流速隨高程變化曲線。結果表明，提高蓄水速度，心墻內滲透流速數值上有所減小，飽和區的滲透流速大于非飽和區；各工況下計算所得滲透速度具有相似的分布規律，即滲透速度在心墻內隨高程變化呈現先增后減的趨勢，在自由面處即飽和和非飽和交界面上，流速都出現突變現象，這是因為飽和區滲透系數遠大于非飽和區，隨著庫水位上升，基質吸力逐漸減小，心墻內部分土體由非飽和狀態向飽和狀態轉變；飽和區內考慮應力耦合計算值低于非耦合值，非飽和區內影響不明顯，提高蓄水速度，應力對流速變化影響顯著增大，自由面出現明顯峰值。

圖7為壩體內不同點的滲透流速隨時間變化曲線。心墻上游壩殼料A點，滲透速度隨著蓄水速度增大而增大，蓄水前期水流前鋒未到達A點時接近于0，隨后陡增至峰值后逐漸減小并趨于平緩，這是因為上游壩殼料的滲透系數較大，滲流阻力較小，因而滲透流速滯后不明顯。心墻內壩軸線B點，滲透流速隨蓄水速度增大而減小，B點水流滯后于A點，蓄水初期滲透流速平緩隨后逐步增大，水位上升越快增幅越大，這是因為心墻內滲透系數很小，滲流阻隔較大，水位上升形成穩定滲流的時間要很長；考慮應力耦合計算后，A、B兩點滲透流速數值上小于非耦合值，流速變化相對于非耦合有一定的滯后，且由于心墻料較壩殼料軟易壓縮變形，應力作用使心墻內土料壓實滲透性變小，因此心墻內滲透流速相對壩殼料而言，非耦合與耦合值相差明顯。

3.3 蓄水速度對水力梯度的影響

蓄水初期心墻內水力梯度直接影響壩體滲流穩定，實際水庫蓄水和水流入滲是需要很長時間的，心墻上游面很容易產生過大的水力梯度。因此，有必要研究心墻內蓄水速度對水力梯度的影響規律，以便為土石壩蓄水速度提供參考。

表2為心墻水力梯度成果表。最大水力梯度為6.57發生在蓄水速度2.0 m/d耦合工況下，出逸區最大水力梯度為1.57發生在蓄水速度0.5 m/d非耦合工況下，蓄水速度較慢時，應力對水力坡降影響不明顯。圖8為不同蓄水速度下庫水位上升至正常[CM（22]蓄水位146.0 m時心墻內水力梯度分布圖。這表明，庫水位上升較慢時，心墻內水力梯度分布均勻，最大水力坡降分布于心墻下游區，因此出逸區是影響滲透穩定的關鍵區域，碎石區過渡層的設計是大壩滲透穩定的保障；庫水位上升較快時，滲流區域集中在心墻上游面較小范圍內，滲透路徑短，因而心墻上游存在較大和集中分布的水力梯度；考慮應力耦合影響后，水力梯度數值上較非耦合大，耦合作用使得水力梯度等勢線分布有向心墻上游偏移的趨勢，水力梯度愈加集中分布于過渡層與心墻料結合區范圍，而局部過大水力梯度也是引起心墻水力劈裂的原因之一[20]。因此，提高蓄水速度對壩體局部滲透穩定不利，考慮應力影響對滲透破壞的判斷偏于安全。

4 結論

心墻壩初次蓄水速度對土石壩的滲透穩定至關重要，結合實際工程通過非線性流-固耦合方法，對土石壩滲流性態的研究表明：

（1）提高蓄水速度，水流入滲滯后致使壩體內飽和區域變小，心墻內滲透流速減小并局部存在較大的水力梯度。孔隙水壓力有所減小，表現突變并集中分布，對壩體不利。

（2）考慮應力場影響后，計算所得飽和區內滲透流速低于非耦合值，非飽和區內影響不明顯，流速變化相對非耦合有一定的滯后，水力梯度等勢線分布向心墻上游偏移且數值上高于非耦合值，心墻內孔隙水壓力集中分布愈明顯，計算結果偏于安全。

（3）水庫快速蓄水時，應力對各水力要素影響顯著增大，在分析土石壩蓄水速度影響的非穩定滲流場時，有必要考慮應力-滲流的耦合影響，確保大壩的安全穩定運行，并嚴格控制初次蓄水速度。

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