牛文龙

（北京中水科工程集团有限公司,北京 100048）

1 引言

目前我国中小型水库大多采用土石坝作为挡水建筑物,随着一些坝体年久失修,必须进行除险加固。2020年国务院印发了《关于切实加强水库除险加固和运行维护工作的通知》,强调水库安全事关人民群众生命财产安全,加快推进水库除险加固,及时消除安全隐患,确保水库安全长效运行。土石坝的渗流稳定直接关系整个大坝的安全稳定运行。目前国内外学者针对均质土坝[1]、混凝土面板堆石坝[2]、黏土心墙坝、黏土斜墙坝[3]、重力坝等坝型均开展了大量的渗流稳定安全分析,大多分析只是针对新建水库或者已建水库在施工期以及运行期的运行状态开展渗流稳定分析[4]。然而,对于土石坝除险加固工程的渗流稳定分析研究较少,尤其是土石坝加高培厚工程的稳定非稳定渗流分析。因此,本文以某土石坝加高培厚工程为研究对象,开展有限元渗流分析计算,基于渗透坡降、渗流量、浸润线位置来评价坝体及坝基是否满足渗流稳定安全要求。

2 工程概况

某水库是一座具有防洪、供水、灌溉等综合功能的水利枢纽工程。在运行中,水库的调度主要通过输水隧洞进行输水满足下游灌溉及供水,汛期通过泄洪隧洞、溢洪道进行泄洪,控制水位。挡水建筑物为均质土坝,加固前最大坝高9.6 m,坝顶长351.5 m,坝顶高程50.1 m,坝顶宽4 m,上游坝坡1∶3.5,下游坝坡1∶4。通过加高培厚对坝顶及下游坝坡进行加固,加固后最大坝高10.5 m,坝顶长351.5 m,坝顶高程51.0 m,坝顶宽7.3 m,上游坝坡1∶3.5,下游坝坡1∶3.5。泄洪建筑物由溢洪道和泄洪洞组成,溢洪道上设泄洪闸7孔,每孔7 m×2.8 m （宽×高）,泄洪洞孔口尺寸1.8 m×1.4 m（宽×高）。土石坝加高培厚工程现状最大横断面见图1。

图1 土石坝加高培厚工程现状最大横断面

3 计算分析方法

3.1 计算方法与原理

根据某水库大坝工程的具体情况,基于达西定律基本方程,采用有限元法对大坝进行渗流计算,运用Geo-Studio软件中seep/w模块,建立大坝现状最大横断面的二维有限元模型。通过模拟各种材料介质的渗透特性和各种入渗、排水边界条件,计算坝体与坝基在各种水位条件下的渗流场。通过计算得到渗流场中的浸润线以及渗流坡降、渗流流速及渗流量,与相应的设计允许值相比较,综合判断坝基和坝体的渗流安全。

在本次进行的稳定渗流计算中,大坝上、下游水位以下的入渗和出流面及自由渗出段,其水头是已知的,属一类边界；没有流量流入和流出的渗流自由面和不透水层面,属于二类边界；同时,为了保证自由面的唯一性,渗流自由面还应该满足水头等于位置高程的条件。在进行非稳定渗流计算时,考虑有流量从自由面流进堰体,取二连续自由面之间的一块水体来表示流量的补给。

3.2 计算参数与工况

（1） 渗透系数和允许渗透坡降

坝体填土和坝基材料的渗流计算指标参考《某水库地质勘察报告》,坝前淤泥、堆石排水体等渗流计算参数参照类似工程选取,渗流计算材料参数见表1。

表1 渗流量计算成果表

（2） 计算工况

参考《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2001）规定,渗流计算应考虑运行中出现的不利工况条件,按稳定渗流考虑,并考虑以下渗流计算工况：

1）正常蓄水位工况：上游正常蓄水位49.500 m,下游对应水位取47.153 m；

2）设计洪水位工况：上游设计洪水位49.700 m,下游对应水位取47.153 m；

3）校核洪水位工况：上游校核洪水位50.400 m,下游对应水位取47.153 m；

4）水位骤降工况I：上游水位按水位降落速度0.1 m/d由正常蓄水位49.500 m骤降至死水位46.000 m,下游对应水位取47.153 m。

5）水位骤降工况II：上游水位按水位降落速度0.5 m/d由正常蓄水位49.500 m骤降至死水位46.000 m,下游对应水位取47.153。

3.3 计算模型

根据大坝现状最大横断面建立有限元模型,模型范围为：大坝向上游与下游各取12 m,建基面以下取12 m。采用四边形单元为主、少数三角形单元来进行有限元网格剖分,大坝共包括1847 个单元,1918 个节点,得到的有限元网格见图2。水闸共包括555个单元,617个节点,得到的有限元网格见图2。

图2 大坝渗流计算有限元网格划分图

4 计算结果分析

本次大坝渗流计算的渗透坡降、渗流量及逸出点成果见表2,计算的浸润线位置及等势线图见图3～图7。对于稳定渗流计算结果,由表2及图3～图5可知,在正常蓄水位、设计洪水位及校核洪水位下加高培厚坝体的单宽渗流量分别为1.89 m3/（d·m）、2.37 m3/（d·m）、2.64 m3/（d·m）,分析可知设计洪水位及校核洪水位下的单宽渗流量比正常蓄水位条件下分别增加了25.3%与39.6%。可以看出随着上游水位增大,坝体渗流量增大。对于坝体渗透坡降而言,正常蓄水位、设计洪水位及校核洪水位下最大的渗透坡降分别为0.41、0.44、0.48,出现位置均为坝体填土内。但是,对于下游出逸点的渗透坡降相对较小,正常蓄水位、设计洪水位及校核洪水位下分别为0.24、0.28、0.36,渗透坡降均小于允许渗透坡降0.5～0.6,表明坝体下游面满足渗透稳定要求,加高培厚部分的坝体对渗流稳定起到了良好的作用。对于坝体的浸润线而言,可以看出浸润线主要是从上游水位过渡到下游尾水位,整体浸润线相对较高。分析原因可能是由于在老坝体下部设置了棱体排水,在进行加高培厚的过程中,被埋在下游坝体填土里面,因此棱体排水失效,不能有效地降低浸润线。

图3 正常蓄水位工况浸润线位置及等势线图

图5 校核洪水位工况浸润线位置及等势线图

表2 各工况大坝渗流计算结果

图4 设计洪水位工况浸润线位置及等势线图

对于非稳定渗流计算结果,由表2及图6～图7可知,在水位骤降工况Ⅰ及水位骤降工况Ⅱ下加高培厚坝体的单宽渗流量分别为0.64 m3/（d·m）、0.63 m3/（d·m）,可以看出在非稳定渗流作用下坝体单宽渗流量相较稳定,渗流明显较小。与稳定渗流期一样,随着上游水位增大,坝体渗流量增大。对坝体渗透坡降而言,水位骤降工况Ⅰ及水位骤降工况Ⅱ下最大的渗透坡降分别为0.21、0.22,出现位置均上游坡面。各时段上游坝体内的浸润线基本与水位降落速度同步,基本呈现为平缓斜直线；相比较而言,水位骤降工况Ⅰ的上游坝体内浸润线高于工况Ⅱ的浸润线,且随着降落水位的逐步降低,两者浸润线的高差相应增大。当降至死水位时,骤降工况Ⅰ和工况Ⅱ的浸润线相同。

图7 水位骤降工况Ⅱ等势线及浸润线位置图（7日终降时）

5 结论

（1）各工况下土石坝加高培厚坝体出逸段及坝基渗透坡降均小于允许渗透坡降,坝体和坝基均满足渗透稳定,大坝不会发生渗透破坏。

（2）土石坝加高培厚坝体填土的渗透系数较小,防渗性能较好,大坝的渗漏量较小。各工况下坝体浸润线和逸出点的位置正常,在合理安全范围内。

（3）加高培厚坝体下游坡脚地面比原设计地面提高了6.653 m,原设计排水体已埋入地下,且未新设置下游排水设施,因此导致浸润线较高,该水库可能存在着影响坝体渗流安全的隐患。