復雜地質條件下水庫大壩三維滲流研究★

張正東，李家財，趙 瓊，劉雪冬

(1.合肥市董鋪大房郢水庫管理處，安徽 合肥 230031；2.安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230022； 3.河海大學土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

0 引言

近年來隨著我國社會經濟的發展，水利工程建筑物也在不斷發展，大壩作為水利工程中廣泛使用的構筑物形式，在防洪、供水、發電等方面發揮著一系列突出的作用。但是，隨著大壩構筑物的發展，安全問題也時有發生。滲流問題是關系到水庫大壩安全運行的主要因素[1]。在大壩運行期間，壩體滲流場隨著庫水位的變化而變化，壩體的土體物理力學性質也會隨之變化。因此，在施工中必須對大壩進行滲流監測。如果大壩出現異常或損壞，將給大壩安全運行帶來不利影響，威脅著下游居民的生命和財產安全，也給工程管理帶來了許多問題。

隨著非飽和土力學的發展，許多學者[2-4]逐步認識到滲流計算時考慮非飽和區對滲流場的影響更加符合實際情況。近年來，基于滲流理論及數值模擬方法的應用，國內外許多學者[5-10]借助有限元等數值模擬技術，采用飽和-非飽和滲流理論研究壩體工程中的滲流問題，并取得了豐碩的成果。

本文以合肥市大房郢水庫大壩為例，基于飽和-非飽和滲流理論，開展復雜地質條件下水庫大壩三維滲流分析，對不同庫水位條件下的滲流場進行研究，分析壩體浸潤線的位置及其變化、孔隙水壓力的變化等，同時將數值模擬結果與實測數據進行比較，為后面相似的工程分析提供一些指導。

1 工程概況

大房郢水庫是以合肥市城市防洪為主、結合城市供水的綜合利用工程，水庫集水面積184 km2，總庫容1.84億m3，屬大(2)型水庫。本文以主壩為研究對象，主壩為均質土壩，全長2 134.8 m，壩頂高程34.0 m，壩頂寬8 m。迎水坡坡比1∶3；背水坡坡比1∶2.5。水庫設計洪水位30.74 m(吳淞高程)，校核洪水位33.64 m，正常蓄水位28.00 m。

大房郢水庫主壩地質縱剖圖如圖1所示，典型監測斷面橫剖圖如圖2所示。

根據工程資料，各土層參數如表1所示。考慮到壩體材料的各向異性，新筑填土采用“分層羊角碾碾壓”，壩身填土kx=4ky=kz，老填土kx=1.1ky=kz。

表1 大房郢水庫土層分區及主要參數

考慮到壩身填土和老填土為非飽和滲流，壩基為飽和滲流，本文通過室內試驗對這兩種原狀土進行非飽和水力特性試驗研究，用VG模型對試驗結果進行擬合，并預測非飽和滲透系數，各土層土水特征曲線及非飽和滲透系數如圖3,圖4所示。

2 計算模型

GiD是一款專業強大的數值模擬軟件，可用于飽和-非飽和滲流分析，定義、準備和可視化與數值模擬有關的數據。結合主壩地質縱剖圖及監測斷面橫剖圖，并進行一定的簡化，建立長770 m，寬130 m，高34 m的三維有限元模型，該模型采用四面體單元劃分，劃分網格后，三維有限元共有節點84 250個，單元430 979個，三維有限元模型網格如圖5所示。

3 工況及邊界條件

3.1 工況

工況1：上游庫水位為正常蓄水位28 m，下游無水位。工況2：上游庫水位為設計洪水位30.74 m，下游無水位。工況3：上游庫水位為校核洪水位33.64 m，下游無水位。以上工況均模擬瞬態流，孔隙水壓力隨時間的改變而變化，經一定時間孔隙水壓力趨于穩定。

3.2 邊界條件

邊界條件包括水頭邊界條件和流量邊界條件，水頭邊界條件可以用孔隙水壓力值來表示，P=rw×(y-y0),rw即為水的重度，y為土層任意一點的位置，y0為水面位置。大壩上游水面和上游大壩底部，這兩部分區域均為水頭邊界條件，孔隙水壓力值隨深度呈線性變化，大壩下游坡面設置為自由滲出面，壩基底部及壩基兩側設置為不透水邊界條件，此邊界的流量為零。下游無水位，不設置水頭邊界條件，默認流量邊界條件。

將初始未知數P1設置為0并賦予整個大壩，以模擬初始狀態下各土層的飽和狀態。根據表1將各土層的初始孔隙率分配到相應的幾何體積，并將水的初始孔隙率設置為1。整個模擬過程時間設置為350 d，初始時間為0，步長設置為0.1 d。

4 計算結果分析

4.1 孔隙水壓力變化

4.1.1 大壩孔隙水壓力

孔隙水壓力整體分布云圖見圖6，由圖6可知，不同工況復雜地質條件下大壩的孔隙水壓力整體分布較為均勻，孔隙水壓力從壩頂到壩底呈分層分布，并具有向下逐漸增大的趨勢，工況1、工況2、工況3條件下大壩整體的最大正孔隙水壓力分別為274 kPa,300 kPa,330 kPa，最大負孔隙水壓力分別為-60 kPa,-49 kPa,-37 kPa。孔隙水壓力最大值出現在大壩上游底部，最小值出現在壩頂部。隨著上游庫水位的增大，最大正孔隙水壓力值隨之增大，最大負孔隙水壓力值隨之減小。

4.1.2 斷面孔隙水壓力

以工況1為例，選取典型斷面430,710，各斷面的孔隙水壓力云圖以及孔壓等值線圖如圖7,圖8所示。

由圖7，圖8看出，不同地質條件下斷面的孔隙水壓力分布有一定的差異，表明不同地質的壩基影響著大壩滲流場。710斷面孔隙水壓力變化趨勢較緩，而430斷面孔隙水壓力變化趨勢較陡，由于各斷面壩體材料均為壩身填土、老填土且厚度差別不大，且壩基土層中砂壤土③2、全風化砂巖④1厚度較為一致，而壩基較上層土層分布差異較大，這些壩基土層的差異導致了各斷面滲流場的變化。

斷面孔隙水壓力分布趨勢較為一致，孔隙水壓力隨深度的增加而不斷增大，最大值出現在大壩上游底部，最小值出現在大壩頂部。430斷面的孔隙水壓力變化趨勢較陡，而710斷面的孔隙水壓力變化趨勢較為平緩。這是因為710斷面的地面線高程較高，庫水位與大壩下游地面線的高度差較小，且710斷面的壩身尺寸較小，水流受阻較小，水流路徑相對平緩，因此孔壓變化較為平緩。

4.1.3 測點的孔隙水壓力變化

取710斷面中心線的四個測點，A,B,C,D測點的位置高程分別為30 m,20 m,10 m,5 m，觀察其在3種不同工況條件下各斷面測點的孔隙水壓力隨時間的變化情況(見圖9)。

A測點處于負孔隙水壓力值狀態，且隨時間變化而不斷減小，這是由于A測點的孔隙水壓力小于大氣壓，且隨著時間的推移，氣壓差越大。B測點由負孔隙水壓力逐漸變為正孔隙水壓力，在非飽和土體中，由于氣壓差的存在形成負的孔隙水壓力，負孔隙水壓力對土粒產生吸附作用，增加有效應力，當氣壓達到平衡時，負孔隙水壓力消散，當孔隙水壓力大于大氣壓時，形成正的孔隙水壓力。C,D測點均處于正孔隙水壓力值狀態，且隨時間變化而不斷增大，這是因為隨著時間的推移，水流從上游不斷滲入大壩，孔隙水壓力不斷增大。

在所有測點中，B測點的位置較為特殊，其位于老填土和③2土層的交界處，觀察斷面B測點的孔隙水壓力變化，其變化趨勢較為連續，且與同一種土層的其他測點變化趨勢相同，無突變異常現象。

4.2 壩體浸潤線變化

壩體浸潤線即為孔隙水壓力為零的線，將孔隙水壓力設置為零，孔隙水壓力小于零的區域統一設置為黑色區域，孔隙水壓力大于零的區域統一設置為灰色區域，浸潤線以下為飽和區，浸潤線以上為非飽和區，從而得到不同工況下壩體浸潤線云圖(見圖10)。

由于大壩下游現狀地面線的高低不一，主壩最右側的地勢較高，在工況1正常蓄水位的條件下，主壩最右側現狀地面處為非飽和區，表現為負孔隙水壓力，隨著庫水位的升高，在工況2設計洪水位的條件下，主壩最右側現狀地面處的非飽和區逐漸轉變為飽和區，在工況3校核洪水位的條件下，孔隙水壓力不斷增大，主壩最右側現狀地面處完全轉變為飽和區。庫水位越高，壩體浸潤線也就越高，這是因為上游庫水位較高時，壩體內的最大正孔隙水壓力值增大，最大負孔隙水壓力值減小，飽和區范圍擴大，非飽和區范圍縮小，壩體浸潤線將不斷抬升。

5 結論

本文通過GiD/Code Bright數值模擬軟件，結合大房郢水庫大壩工程，對復雜地質條件下土石壩的三維滲流進行分析，研究孔隙水壓力、壩體浸潤線的變化規律，并將數值模擬結果與實測浸潤線進行比較，得出以下結論：

1)不同地質條件影響著大壩滲流場的變化，大壩滲流場的變化主要受壩基較上層土層的影響，較上層土層的滲透系數較大時，孔隙水壓力變化趨勢較陡，壩體浸潤線較低；較上層土層的滲透系數較小且壩身截面尺寸較小的斷面，其壩體浸潤線偏高。復雜地質條件下大壩的孔隙水壓力整體分布較為均勻，孔隙水壓力從上到下隨深度呈分層分布，并具有向下逐漸增大的趨勢，孔隙水壓力的最大值出現在大壩上游底部，最小值出現在壩頂部。隨著上游庫水位的增大，最大正孔隙水壓力值隨之增大，最大負孔隙水壓力值隨之減小。

2)由于氣壓差的存在形成負的孔隙水壓力，當氣壓達到平衡時，負孔隙水壓力消散，當孔隙水壓力大于大氣壓時，形成正的孔隙水壓力，且隨著時間的推移，上游水流不斷滲入到壩體，正孔隙水壓力不斷增大。位于兩種土層交界處的測點，其孔隙水壓力變化趨勢較為連續，與同一種土層的其他測點變化趨勢相同，無突變異常現象。

3)由于庫水位的變化和壩體內部孔隙水壓力的變化并不是同步的，在庫水位降落期間，壩體浸潤線存在著滯后性，實測浸潤線高于數值模擬所得到的壩體浸潤線。