马超 寇建卫 杨雯惠

（1.河北省水利水电第二勘测设计研究院 河北石家庄 050021；2.河北天和咨询有限公司 河北石家庄 050021；3.黄河水利出版社 河南郑州 450000）

某均质土坝库水位降落下考虑非饱和渗流数值分析

马超1寇建卫2杨雯惠3

（1.河北省水利水电第二勘测设计研究院 河北石家庄 050021；
2.河北天和咨询有限公司 河北石家庄 050021；
3.黄河水利出版社 河南郑州 450000）

本文对某均质土坝的库水位降落下考虑非饱和渗流数值进行了详细的分析。

均质土坝 库水位降落 非饱和渗流

1 工程概况

某均质土坝，坝顶高程为852.0m，坝顶宽度为10m，最大坝高为66.0m。上游坝坡坡比为1:2.75和1:3，下游坝坡坡比均为1:2.7。正常工况下，即上游正常蓄水位为848m，下游相应水位798m。该大坝的横剖面图见图1。坝体内设置水平褥垫排水。坝基岩体上部强风化带厚度为1.0～2.0m，强～弱风化岩体透水率q=10～35Lu的中等透水层厚度为10.0m左右，下部岩体岩体透水率q＜3Lu，可视为相对隔水层。

图1 大坝横剖面图

2 有限元模型与计算参数

（1）软件介绍

GeoStudio 系统软件是由全球著名的加拿大岩土软件开发商GEO-SLOPE公司在70年代开发的面向岩土、采矿、交通、水利、地质、环境工程等领域开发的一套仿真分析软件，是全球最知名的岩土工程分析软件之一。

（2）土水特征曲线。

饱和区水流的运动与非饱和区水流运动的重要区别在于渗透系数的差异。饱和区土体介质渗透系数比较大一般为常数。但非饱和介质中的孔隙会部分被气体所占据，其渗透系数会低于饱和时渗透系数，并随着含水量的变化而变化。因此，要得到非饱和多孔介质的渗透特性，必须要掌握渗透系数和基质吸力或是体积含水率之间的关系，这种关系通常是由非饱和多孔介质水力参数的特征曲线来描述的，称为土水特征曲线。

土水特征曲线形式非饱和基质的基质势或是负压力水头水介质含水率的变化的关系曲线。基质势一般是负值，我们通常用其绝对值表示，该正值定义为基质吸力，所以非饱和介质的土水特征曲线也就是体积含水率或饱和度与基质吸力的关系曲线。基质吸力是确定饱和与非饱和的关键，它的实际测定有一定难度的。

直接通过试验来测定土水特征曲线特别复杂，且耗费的时间多，成本也较高，根据经验公式来预测土水特征曲线则没有这些缺点，且容易实现。目前，有很多学者和工程技术人员做了大量研究总结出了许多经验公式来预测土水特征曲线，应用较为广泛的有：Brooks-Corey模型（BC模型）、Mualem模型、Campbell模型、Van-Genuchten（VG模型）模型和Fredlund模型。其中VG模型的拟合效果和预测效果要好一些；所以得到广泛的应用。

（3）有限元模型

计算坐标系规定如下：X轴为顺河流方向，从上游指向下游为正；Y轴为垂直方向，竖直向上为正；坐标原点（0,0）取在模型的左下方。如图2所示。计算模型的范围选取：该均质坝最大坝高66m，在X方向，分别沿坝踵上游和坝址下游各取60m，约1倍的坝高；在Y方向，从坝底向下取80m，约1.2倍的坝高。应用岩土软件GeoStudio软件中的SEEP/W模块采用三角形和四边形单元相结合剖分形式进行剖分。

图2 大坝有限元模型

表1 渗流计算所需参数表

（4）计算参数

在考虑非饱和土的稳定、非稳定渗流场计算时，我们将坝体料的体积含水量函数和渗透系数函数采用Van-Genuchten模型进行拟合。

(5)计算工况

其计算工况详见表2。

3 库水位下降对饱和与非饱和渗流数值分析

通过有限元计算，将饱和非稳定渗流与非饱和非稳定渗流计算得到的浸润线进行对比，分别如图3～图10所示。

表2 水位下降计算工况表

图3 工况1-1不考虑非饱和下降速度v=0.1m/d时浸润线位置变化图

图4 工况1-1考虑非饱和下降速度v=0.1m/d时浸润线位置变化图

图5 工况1-2不考虑非饱和下降速度v=1m/d时浸润线位置变化图

图6 工况1-2考虑非饱和下降速度v=1m/d时浸润线位置变化图

图7 工况1-3不考虑非饱和下降速度v=2m/d时浸润线位置变化图

图8 工况1-3考虑非饱和下降速度v=2m/d时浸润线位置变化图

图9 工况1-4不考虑非饱和下降速度v=4m/d时浸润线位置变化图

图10 工况1-4考虑非饱和下降速度v=4m/d时浸润线位置变化图

从图3～10中可以看出，不考虑非饱和与考虑非饱和因素的渗流浸润线有明显的区别，不考虑非饱和因素的浸润线靠近上游坝面处随水位面同步下降，曲线呈下凹趋势；考虑非饱和因素的浸润性靠近上游坝面处也随水位面同步下降，但是曲线呈上凸趋势，而且随库水位下降速度的增大，上凸趋势越明显。

工况一：库水位下降速度v=0.1m/d时，历时480d时，水位下降到800m高程。如图3所示，不考虑非饱和因素的浸润线前端随水库水位同

步下降，各时段浸润线随时间均匀变化，480d时水位已经趋于水平。随时间继续增加到580d时，浸润线都没有发生变化，一直处在480d的位置。考虑非饱和影响时如图4所示，随时间的增加，浸润线靠近坝体上端部位逐步与上游水位趋于平行，水位下降达580d时与图3中480d浸润线才几乎重合。

工况二：库水位下降速度v=1m/d时，历时48d时，水位下降到800m高程。如图5所示，不考虑非饱和因素的浸润线前端随水库水位同步下降，变化趋势与v=0.1m/d时一样，当历时48d时，水位已经趋于水平，随时间继续增加，直到580天时，浸润线都与48d的位置重合，随时间增加位置都不会再发生变化。考虑非饱和时如图6所示，从0d到11d左右，浸润线前端随水库水位同步几乎下降，逐渐与水位平行，从16d左右往后，随库水位下降和时间的增加，浸润线前端向下弯曲的程度越来越明显，浸润线最高点的下降速度也低于库水位下降速度，出现了较为明显的滞后现象。历时48d时，库水位下降到800m高程，而浸润线最高点高于库水位30.2m。随时间增加，浸润线最高点不断下降，前端坡度越来越缓，到达580d时水位趋于水平。

工况三：库水位下降速度v=2m/d时，历时24d时，水位下降到800m高程。如图7所示，不考虑非饱和因素的浸润线历时24d时，水位已经趋于水平，随时间继续增加，浸润线都不会变化。考虑非饱和因素影响时如图8所示，从第7d开始，浸润线已经出现了明显的滞后现象。当历时24d时，浸润线与上游坝面的交点即库水位的位置随时间增加一直保持不变，但浸润线前端较v=1m/d时更陡，随时间增加，浸润线缓慢下移，上游坡度逐渐变缓，在580d时，浸润线近乎水平。

工况四：库水位下降速度v=4m/d时，历时12d时，水位下降到800m高程。如图9所示，不考虑非饱和因素的浸润线历时12d时，水位已经趋于水平，随时间继续增加，浸润线都不会变化。考虑非饱和因素影响时如图10所示，从第7d开始，浸润线已经出现了非常明显的滞后现象，浸润线前端非常陡。当历时12d时，浸润线与上游坝面的交点即库水位的位置随时间增加一直保持不变，但浸润线前端较v=1m/d时更陡，随时间增加，浸润线缓慢下移，上游坡度逐渐变缓，在580d时，浸润线近乎水平。

4 结论

不考虑非饱和因素的浸润线靠近上游坝面处随水位面同步下降，曲线呈下凹趋势，不会发生浸润线滞后现象；考虑非饱和渗流的靠近上游坝面处浸润线也随水位面同步下降，但是曲线呈上凸趋势，而且随库水位下降速度的增大，上凸趋势越明显，则发生浸润线滞后现象。

1 Van Genuchten MTh．A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils[J]．Soil Sci Soc Am J，1980，44(5)：892-898.

2 毛昶熙．渗流计算分析与控制[M]．北京：中国水利水电出版社，2003：1-63，89-124，306-342.

3 徐绍辉，刘建立．土壤水力性质确定方法研究进展[J]．水科学进展，2003，14(4)：494-501.

4 夏卫生，雷廷武，潘英华等．土壤水动力学参数研究与评价[J]．灌溉排水，2002，21(1)：72-75.

5 Brooks R H，Corey A T．Hydraulic properties of porous media[M]．Colorado：Colorado State University Press，1964：3-27.

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.12.012

TV641

B

1672-2469(2014)12-0034-04

马超（1984年—），男，助理工程师。