有無滲漏時水流通過堤壩的滲透特征研究

楊 娜

(河北省子牙河河務中心，河北 衡水 053000)

0 前 言

土石混合體壩基在水壩工程中常是設計首選結構形式，但是有關土石混合體壩基的滲透破壞特點，相關研究成果相對較少。胡亞元等才用有限元方法研究了管涌作用對堤壩滲透系數和滲透速度的影響規律，主要基于改進后的SPV方程結合有限元中的Newton-Raphson求解法和網格單元剛度矩陣有效及時調整法對二維條件下的土石壩水流滲透問題進行了研究，結果表明管涌現象顯著增大了土石壩的滲透系數和滲透速度[1-2]。李新華等深入分析影響堤壩滲流的各關鍵參數后，結合一具體工程實例中監測的滲流數據，應用Matla神經網絡方法建立了能夠有效預測滲流參數變化的模型，為滲流參數在堤壩中的變化預測提供了借鑒[3-5]。陸忠民等對上海市一水庫建設階段存在多種潛在不安全擾動因素影響條件下的實際困難的解決進行了研究，總結了一套針對潮汐河口位置的堤壩建設方案，為類似復雜地質條件下的堤壩建設提供了參考[6-7]。黃海均等對于常見強弱互層的堤壩基礎結構形式的滲透破壞特點進行了研究，采用PFC3D軟件結合“反演法”，首先對壩基中各土層的顆粒細觀參數進行了正確標定，得出壩基滲透變形破壞發展演化過程中各土層細顆粒的運動特征，揭示了強弱互層堤壩的滲透破壞微觀變形發展機制[8-9]。武亞軍等研究并成功制配出用于與黏性土滲透變形內部變化過程的透明質黏土材料，并進行了多種配比條件下的透明黏性土滲透試驗，得出黏土的滲透系數隨著黏質成分的含量提高而變小，而黏土的壓縮性會隨著黏質成分的含量提高而變大[10-11]。

以下對位于山西省一水庫堤壩進行數值計算分析，對比當下游邊界設置與不設置滲溝時，堤壩內的水力梯度、流線形式和孔壓變化特征，采用能夠有效進行飽和-非飽和分析的Geo-studio軟件建立實體堤壩模型，討論滲漏邊界設置與否相應的各水力關鍵參數的變化趨勢，總結了滲漏邊界的出現與否對各關鍵水力參數的影響特征，為類似地質條件下的堤壩設計和工程維護提供了一定參考。

1 工程地質

該水庫堤壩位于遼寧省內，是為該地區汛期階段調整各小區域水量分布而建設，壩基主要由土石混合體材料組成，土石混合體材料相關物理力學參數如表1所示，壩基剖面模型如圖1所示。預計汛期儲水高度為11m，堤壩基礎長52m，高12m，頂寬4m。

2 Geo-studio滲流分析

Geo-studio軟件在滲流分析上有著獨特的優勢，其軟件自帶有相關的水力特征曲線估計算法，含水量與滲透系數估計算法及相應的孔壓與含水量估計算法，輸入相應的參數，軟件即可自行計算得出，內置有多種前人研究成果中的各種水力相關函數模型，為各個工程領域涉及到流體滲流問題的分析提供了極大便利。

圖1 壩基剖面圖

表1 土石混合體物理力學參數

3 堤壩模型構建

在Geo-studio軟件中建立如圖2所示堤壩模型，通過設置材料特性，并賦給相應區域的材料，指定水位面位置，按照0.5m的單元網格密度劃分模型，模型底部右端45-52m處設置或不設置滲漏邊界，進行計算。

圖2 水庫堤壩模型

4 模擬結果

下文主要通過分析設置與不設置滲漏邊界條件時，壩基內水力梯度變化特征、水流流線特征及零水壓頭的分布位置的特點，得出設置與不設置滲漏邊界條件時，以上這些參數的變化規律。

4.1 不設置滲漏邊界時

圖3所示是不設置滲漏邊界時，邊坡內水力梯度等值線在壩基內的分布位置，和幾個主要流線的形式，以及零水頭壓力線在壩基中的分布位置，可見，從壩基上游開始發生滲透，水力梯度在最初時，坡降較小，越向下游，坡降越大，水流在通過壩基進行滲透時，靠近上游處，以垂直加水平的混合運動方式為主，向下游滲流時，迅速過渡到以水平運動為主，零壓力水頭線以一定斜角趨勢幾乎成直線形式指向下游。

圖3 不設置滲漏邊界時的水力參數圖

圖4 不設置滲漏邊界時滲透率和基質吸力關系

圖4所示為在不設置滲漏邊界時的土石混合體材料的滲透率(水力傳導度)和基質吸力關系曲線。由圖中所示可知，當滲透率隨著土石混合體材料中的基質吸力的不斷增大而減小，當達到1kPa的臨界基質吸力值時，滲透率出現迅速陡降。

4.2 設置滲漏邊界時

圖5所示是設置滲漏邊界時，邊坡內水力梯度等值線在壩基內的分布位置，和幾個主要流線的形式，以及零水頭壓力線在壩基中的分布位置，可見，從壩基上游開始發生滲透，水力梯度在最初時，坡降較小，越向下游，坡降越大，與不設置滲漏邊界情況相比，整體坡降較大。水流在通過壩基進行滲透時，靠近上游處，以垂直加水平的混合運動方式為主，向下游滲流時，迅速過度到以水平運動為主，這一點與不設置滲漏邊界情況相似，零壓力水頭線不再穿過下游斜坡，先以一定斜角趨勢也幾乎成直線形式指向下游，后在滲漏邊界處迅速回轉向下至滲漏邊界，說明滲漏邊界的設置能夠有效預防壩基發生整體的失穩滲漏破壞。

圖5 設置滲漏邊界時的水力參數圖

圖6所示為在設置滲漏邊界時的土石混合體材料的滲透率(水力傳導度)和基質吸力關系曲線。

由圖6可知，當滲透率隨著土石混合體材料中的基質吸力的不斷增大而減小，當達到1kPa的臨界基質吸力值時，滲透率出現迅速陡降，這與不設置滲漏邊界時的情況相同，可見滲漏邊界的設置對滲透率和基質吸力的關系沒有影響。

5 結 論

1)水力梯度在靠近上游處，坡降較小，越向下游，坡降越大，水流在通過壩基進行滲透時，越靠近上游處，以垂直加水平方向向下游運動為主，而后迅速過渡到以水平運動為主。

2)與不設置滲漏邊界情況相比，設置滲漏邊界時，零壓力水頭線不再穿過下游斜坡，說明滲漏邊界的設置能夠有效預防壩基發生整體的失穩滲漏破壞。

3)建議在相似水位和壩基結構模式下進行堤壩的設計時，采用下游適當設置滲漏邊界的措施。