周 恒，黄 鹏，陆 希，狄圣杰，张 莹

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065；2.国家能源水电工程技术研发中心高边坡与地质灾害研究治理分中心，陕西 西安 710065)

0 引 言

土石坝是应用最为广泛的一种挡水建筑物[1]，我国是世界上100 m以上高土石坝数量最多的国家，在100～200 m级高土石坝建设与运行安全保障方面积累了丰富经验，同时，已建、在建和拟建坝高200 m以上特高土石坝数量亦居世界之首。复杂地形地质条件和恶劣气候环境给这些高坝大库建设与长期安全运行带来了严峻挑战，其中坝体渗流问题是土石坝工程中需要重点关注的问题之一，虽然通过面板坝、心墙坝等坝体设计达到了一定的防渗效果，但仍有管涌、流土、接触冲刷等破坏的发生[2-3]，据统计国内外45%的土石坝失事原因都是渗流破坏[4]。

目前，国内高度超过200 m的混凝土面板堆石坝已有多座[5- 6]，针对300 m级混凝土面板堆石坝已开展多项关键技术的研究工作[7]，学者主要关注由堆石体变形、面板和堆石材料的接触问题等影响因素，引起的面板的挤压破坏问题[8-10]。由于高面板坝的首选筑坝材料砂砾石料的透水性能相比于块石料有较大差距，为尽快降低坝体浸润线高度、保证坝体渗透安全稳定性，一般要求在坝体内设置渗透系数较大的L形排水体。但当L形排水体水平段受坝体变形或细颗粒冲淤局部发生沉陷、淤堵等工程缺陷后，对坝体渗流稳定的影响，目前研究较少。一般来说，水平排水体仅在平面上局部发生出现缺陷，不会影响到整体排水，但当水平排水体在沿河方向出现了条带状的缺陷时，可能影响到排水体的排水性能。本文从排水体的排水能力研究角度出发，采用有限元数值渗流分析方法，对排水体发生局部缺陷时对其排水能力的影响进行分析研究。

图1 某混凝土面板堆石坝标准剖面示意(单位：m)

1 基本条件及原理

1.1 基本条件

以我国在建的某特高混凝土面板堆石坝作为研究对象，该坝坝高257.5 m，坝体主要包含混凝土面板、垫层区、过渡区、反滤料区、排水区、下游堆石区等材料分区，其排水形式为L形排水体，水平排水体厚5 m，坝体标准剖面如图1所示。分析模型水头边界条件为上游面总水头选取水位2 980.00 m，下游面总水头选取水位2 770.51 m，其中，上、下游设置为常水头边界，下游2 770.51～2 936.65 m高程边界设置为可能的排渗边界，以模拟实际可能出现的水头浸润线随机排泄位置；位移边界条件为基础上下游侧和底部均施加两向约束。

研究排水体局部缺陷对其排水能力的影响时，通过与排水体正常时排水能力比较，以对坝体排水量的影响来评判排水体局部缺陷对排水体排水能力的影响。排水体缺陷定义为两方面：一是排水体局部沉降；二是排水体局部淤堵。根据标准剖面建立数值分析模型，预设排水体沉降及淤堵缺陷单元嵌入整体模型，考虑了不同沉降变形值、淤堵段范围等影响因素，设置模型的水头等边界条件，分区赋值参数，研究排水体缺陷问题对压力水头、浸润线、排水量等影响。坝体各料区渗透系数参数选取见表1。

1.2 基本原理

不考虑土体和水体的压缩性，符合达西定律的非均质各向异性土体，二维稳定渗流问题的基本方程为

(1)

式中，h为水头函数；kx、ky分别为以x、y轴为主轴方向的渗透系数。

对于面板坝稳定渗流，基本方程的定解条件仅有边界条件，即

h(x，y)|Γ1=f(x，y)

(2)

(3)

式中，f(x，y)为给定水头函数；n为渗流边界的外法线方向；Γ1为已知水头值的边界；Γ2为给定流量的边界；q为边界上单位面积流的流量。

2 排水体局部缺陷计算结果

2.1 排水体局部沉降

排水体正常服役(即不考虑缺陷影响)时，坝体浸润线如图2所示，此时排水量为0.003 255 2 m3/s，将缺陷影响的量值与标准时进行对比，探求缺陷影响的相关规律。在混凝土面板堆石坝长期服役过程中，由于坝体沉降变形作用，导致水平排水体可能出现局部沉降变形，排水体局部沉降预设如图3所示，根据坝体非线性应力应变计算成果，局部变形长度按180 m估算，局部沉降依据设置的不同高度进行多组分析，发生沉降缺陷时排水影响如图4所示，此时排水量为0.003 064 1 m3/s。

图3 排水体沉降变形位置示意

图4 排水体局部沉降时压力水头(单位：m)

2.2 排水体局部淤堵

考虑到排水体作为排渗通道，粒径较小的颗粒沿渗流路径移动，可能导致水平局部位置发生淤堵，对其排水能力会产生影响。排水体局部淤堵时，其渗透系数应在坝体砂砾石料(3.34×10-5m/s)和排水体料(1.64×10-2m/s)之间，故设定淤堵位置的渗透系数为1×10-5m/s，水平排水体局部淤堵位置如图5所示，排水体局部淤堵预设不同范围，发生淤堵缺陷时排水影响如图6所示，此时排水量为0.002 653 6 m3/s。

图5 排水体淤堵位置示意

图6 排水体局部淤堵时压力水头(单位：m)

3 排水体局部缺陷排水能力分析

3.1 排水体局部沉降排水能力分析

为研究局部沉降对排水能力的影响，通过设置不同的排水体沉降变形高度，进行统计计算排水量的变化，获得了排水体沉降最大变形高度与排水量的关系曲线及拟合公式，如图7所示。横坐标为沉降缺陷比，为排水体沉降最大变形值H′与排水体厚度H的比值，纵坐标为排水量比，为排水体发生沉降变形时的排水量Q′与排水体正常时的标准排水量Q比值。由图7可知，当水平排水体在一定范围内发生沉降变形时，排水量与沉降变形高度呈负相关关系，复相关系数达0.998 6。当沉降变形比排水体厚度不超过1.00时，排水量减小比例在0.05以内，表明沉降变形不大时，排水量变化幅度较小。

图7 排水体局部沉降变形高度比与排水量比的关系曲线

3.2 排水体局部淤堵排水能力分析

通过设置不同的水平排水体淤堵范围，进行统计计算排水量变化，获得了局部淤堵范围与排水量的关系曲线及拟合公式，如图8所示。横坐标为淤堵缺陷比，为水平排水体淤堵范围L′与水平排水体长度L的比值，纵坐标为排水量比，为排水体发生淤堵时的排水量Q′与排水体正常时的排水量Q比值。由图8可知，当水平排水体在一定范围内发生淤堵时，排水量与淤堵范围呈负相关关系，复相关系数达0.996 5。与排水体正常时相比，当排水体局部发生淤堵时，淤堵会造成排水体排水不畅，在淤堵断面前坝体浸润线高度明显升高；由于坝体砂砾石的渗透系数相对较小，坝体渗漏水只能通过排水体排出，而由于淤堵部位的阻渗，排水体的排水量明显减小。这说明，当坝体各分区未发生渗透破坏时，排水体局部淤堵对其排水能力影响较大。

图8 排水体局部淤堵长度比与流量比的关系曲线

3.3 排水体局部缺陷渗透系数影响分析

为了进一步分析排水体局部缺陷位置渗透系数对排水体排水量的影响，以水平排水体局部淤堵范围100 m为代表，对缺陷位置渗透系数的敏感性进行分析。按坝体砂砾石渗透系数3.34×10-5m/s、正常排水体渗透系数1.64×10-2m/s不变，通过设置排水体局部缺陷位置的不同渗透系数，进行计算统计排水量变化，获得了局部缺陷位置渗透系数与排水量的关系曲线及拟合公式，如图9所示。横坐标为渗透系数比，为水平排水体局部缺陷位置渗透系数K′与排水体渗透系数K的比值，纵坐标为排水量比，为排水体发生局部缺陷时的排水量Q′与排水体正常时的排水量Q比值。由图9可知，排水体局部缺陷部位的渗透系数的减小，排水体局部缺陷部位以前的坝体浸润线升高，且排水体的排水量减小，呈正相关关系，复相关系数达0.961 8。

图9 排水体局部缺陷位置渗透系数比与流量比关系曲线

在排水量减小的幅度方面，当排水体局部缺陷部位的渗透系数比坝体砂砾石料的渗透系数小时，排水量减小幅度较小，当排水体局部缺陷部位渗透系数小于10-6m/s时，排水体的排水量几乎不再发生变化；当淤堵部位的渗透系数比坝体砂砾石料的渗透系数大时，排水量减小幅度较大。这反映出，当排水体局部缺陷部位的渗透系数大于坝体砂砾石的渗透系数时，坝体渗漏水大部分会通过排水体局部缺陷部位后再进入正常的排水体排出坝体；而当排水体局部缺陷部位的渗透系数小于坝体砂砾石的渗透系数时，有部分坝体渗漏水通过坝体砂砾石进行排泄。

4 结 论

本文针对混凝土面板堆石坝的排水体局部沉降变形、淤堵等局部缺陷情况，对比排水体正常时的浸润线分布和排水量，可得到以下结论：

(1)水平排水体受坝体沉降影响局部发生沉降或淤堵后，排水量与沉降量值、淤堵范围呈负相关关系；排水体沉降变形小于排水体厚度时，对其排水量影响较小；当排水体局部淤堵延伸至一定范围时，由于阻渗作用，范围继续增加对排水量影响不大。

(2)当排水体发生局部缺陷时，排水体缺陷部位的渗透系数与排水量呈正相关关系，且当缺陷部位的渗透系数比坝体砂砾石料大时，排水量减幅较大；当缺陷部位的渗透系数比坝体砂砾石料小时，排水量减幅较小。

(3)水平排水体局部沉降变形高度比与流量比、局部淤堵长度比与排水量比统计规律关系式为多项式，局部缺陷位置渗透系数比与排水量比规律关系式为幂函数。根据获取的相关规律关系拟合公式，当类似工程排水体发生局部缺陷时，可通过内插法或外推法进行初步评估，为后续精细化评估提供一定的参考和借鉴。