粗颗粒含量对土石坝蓄水期渗流场的影响研究

余 博

(广东中灏勘察设计咨询有限公司,广东 广州 510700)

随着我国水利工程建设的快速发展，土石坝的数量和规模都发生了快速的增长，但某些土石坝由于设计及施工原因导致溃坝事件时有发生[1]，如Teton宽堆石坝溃决、Hyttejuvet土石坝异常渗漏等工程灾害。

针对土石坝的安全问题，各国学者展开了大量的研究。王年香等[2]基于土工离心模型试验，研究了土石坝初次蓄水速率对土石坝稳定性影响，结果表明，蓄水位上升速率越快，心墙裂缝的内外水压力差增长越快。何帅[3]基于数值有限元，研究了混凝土面板坝渗流规律，结果表明，合理的防渗措施是保证土石坝安全运营的重要手段。黄锦林等[4]基于ABAQUS数值有限元，研究了土石坝防渗墙、黏土防渗体和水平排水带分别移除后对坝坡稳定的影响，结果表明，排水措施是影响土石坝稳定性最重要的因素。邱媛媛等[5]基于非线性强度准则推导了土石坝稳定性计算公式，建立了三维坝体可靠度评价方法。高焕焕等[6]基于现场监测数据研究了黏土心墙土石坝的渗流场特性。史丽云等[7]采用Fredlund非饱和土抗剪强度理论，研究了库水位升降对土石坝的影响。郑保敬等[8]基于MLPG无网格法研究了土石坝非稳态饱和渗流情况下，坝体的渗透特性，并与既有模型进行了对比，结果表明，该方法对于处理非稳态饱和渗流具有很高的精度，可为研究土石坝渗流问题提供新思路。

本文基于ABAQUS数值分析软件，建立了土石坝模型，分析了土石坝在初次蓄水工况下坝体心墙粗颗粒含量对土石坝渗流场及稳定性的影响。本文研究可为相关工程提供经验。

本文采用的质量守恒连续方程表达式为[9]：

(1)

此外，模型需要考虑孔隙渗流，本文采用Forchheimer定律，渗透系数表示式为：

(2)

式中，k—达西饱和渗透系数；
β—渗流影响系数，β=0时转化达西定律；
ks—与饱和度有关的无量纲系数。

2.1 模型概况

本文研究的土石坝模型如图1所示。坝顶高程为295m，顶宽和总长度分别为16m和1137m。土石坝心墙为砾石土，坡比为1∶0.2，上游和下游反滤层厚度分别为8m和12m，坡比为1∶0.2。坝坡上游坡比和下游坡比分别为1∶2.0和1∶1.8。最终计算的有限元模型如图1所示。模型单元格合计35665，顺河流方向设为x轴，高度方向为z轴，为增加计算效率，宽度方向取40m。

图1 土石坝结构图

2.2 计算工况

假定上游和下游的初始水位分别为60m和30m，其中上游水位以不同的速率升高至285m正常水位，下游水位保持不变。本文共设计了6种工况来研究蓄水速率对坝体稳定性影响，速率分别为0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0m/d及速率交替。具体计算工况见表1。

表1 计算工况

2.3 模拟参数

既有研究表明，当粗粒含量>50%时，土的渗透系数超过1×10-5cm/s，本文考虑最危险工况，渗透系数取最大值。此外，为了考虑粗颗粒的随机性，本文对心墙单元进行随机抽样，使得单元体积占比(超标率)满足设定值。进一步，通过超标单元和未超标不同的渗透系数模拟粗粒含量对土石坝渗流场的影响程度。共设计了4种心墙，如图2所示。其超标率P分别为2.5%、5.0%、7.5%和10.0%。具体参数见表2。

图2 粗颗粒含量超50%单元分布

表2 坝体材料计算参数

3.1 粗粒含量无超标

图3汇总得到了不同蓄水速度工况下，心墙内孔压等值线分布情况，结果表明，当心墙内的粗颗粒含量满足规范要求时，上游土石坝浸润面位置变化基本与蓄水高度一致，下游土石坝浸润面变化幅度很小。此外，心墙下部基本处于饱和状态，中上部仅有小部分处于饱和状态，心墙受到较大的水头压力，孔压等值线均匀光滑。当心墙粗粒含量未超标时，土石坝在初次蓄水情况下，上游浸润面水位基本和库水位一致，下游浸润面变化范围较小。心墙内的饱和区域随着渗水速度的增大而减小，且心墙上部的浸润面随之变陡。

图4汇总得到了不同蓄水速率工况下最大渗透坡降的变化规律，结果表明，相同蓄水速度下，心墙内最大渗透坡降随蓄水高度的增大先增大随后趋于平缓。渗透坡降快速增大的区段主要发生于蓄水位150m以下。此外，最大渗透坡降的位置均出现在心墙上游靠近蓄水位高程附近。随着蓄水速度增大，最大坡降明显增大，如当蓄水速度由0.5m/d增大至5.0m/d时，最大坡降值有3.7增大至13.0。此外，当蓄水速度由0.5m/d增大至5m/d情况下，渗透坡降由3迅速增大至13。这也表明，当蓄水速度过大时，心墙会承受较大的渗透力，对于心墙的安全运营极为不利，尤其容易发生渗透破坏。因此在实际工程中，应适当控制蓄水速率，以保证土石坝安全。

图3 心墙内孔压分布云图

图4 粗颗粒含量不超标时最大渗透坡降随蓄水速度变化规律

3.2 粗粒含量超标

图5汇总得到了蓄水速度为0.5m/d时不同粗颗粒含量工况下心墙的孔压分布，结果表明，当心墙粗颗粒含量超过50%以上时，孔压等值线分布规律与图3基本相同，但明显发现，孔压等值线不再光滑，且等值线粗糙程度随超标率的增大而增大。此外，心墙饱和区范围也与图4基本相同。

图4为蓄水过程中，心墙渗透坡降变化规律，结果表明，当蓄水速度相同时，粗颗粒超标情况下，心墙渗透坡降大于不超标工况。此外，超标率和蓄水速度对坡降增大影响不明显。蓄水过程中心墙最大渗透坡降随蓄水速度增大而增大。图6(a)表明，当蓄水速度为0.5m/d、时，不同粗颗粒含量渗透坡降变化基本一致，均呈先先增大后稳定的趋势，不同含量工况的渗透坡降介于3～5之间，当蓄水位达到150m时，最大坡降波动明显增大，主要是由于受到超标单元格影响所导致的。图6(b)和图6(c)的变化规律与图6(a)基本相同，不同含量粗颗粒工况的渗透坡降分别介于7～10、12～16之间。因此，实际工程应用中，当心墙粗颗粒含量超标时，需严格控制蓄水速度，以免发生过大的渗透力，影响土石坝的安全运营[10- 11]。

图5 粗颗粒粒含量超标时心墙孔压分布云图

图6 粗颗粒粒含量超标时最大渗透坡降与蓄水高度关系

本文基于ABAQUS开展了粗颗粒含量对土石坝蓄水期渗流场的影响研究，得到以下几点结论。

(1)心墙内的渗流坡降随蓄水速度的增大而增大，最大增幅超过200%，且坡降增幅与粗颗粒含量是否超标无直接影响。实际工程应用中，应严格控制蓄水速度，以免发生渗透破坏，影响土石坝安全运营。

(2)蓄水过程中，当心墙粗颗粒含量超标时，最大渗透坡降比不超标要大，但增大幅度与超标情况和蓄水速率关系不显著，如控制超标率10%以内，渗透坡降增大幅度均在50%以内。

(3)在水库蓄水过程中，应严格控制蓄水速度，以免发生渗透破坏，影响水库的运行安全。