超高土石坝的渗流参数敏感性分析研究（刘晓庆,刘佳）

摘要:在心墙土石坝设计中，心墙是坝体的防渗部分，它对坝的稳定起着至关重要的作用。

本文结合工程的实际情况，考虑非饱和区的影响，对坝体材料参数进行敏感性分析，通过渗流计算，来探讨渗流场的分布情况和自由面的变化规律，为大坝结构设计和施工提供基础资料和参考依据。

关键词:土石坝浸润线渗流系数逸出高度

一、工程概述

某水电站拟建于大渡河流域上，是大渡河流域上水电梯级开发的上游控制性水库，是大渡河流域水电梯级开发的关键性工程之一。坝址处控制流域面积39330km2，年径流量166亿m3，多年平均流量527m3/s。坝址区河谷属高山深切曲流河谷，出露地层岩性主要为燕山早期木足渡似斑状黑云钾长花岗岩和晚期可尔因二云二长花岗岩，地震基本烈度为7o；河床覆盖层深厚（最厚约67.8m）；坝址区无区域性断裂切割。

拦河大坝采用砾石土心墙堆石坝，砾石土心墙堆石坝坝顶高程2508.00m，坝顶长度约642m。河床部位心墙底高程2202.00m，最大坝高312m（含6m厚基座），坝顶宽度16.00m。上游坝坡为1:2.0，下游坝坡1:1.90。心墙顶高程2508.00m，宽4.00m，与防浪墙进行可靠连接，并高于最高静水位（2504.51m）；心墙上、下游坡均为1:0.2，心墙底部与新鲜基岩相连，最大断面心墙底高程2202.00m，顺河向宽度为128.00m。

心墙堆石坝为西南高山峡谷地区、深厚覆盖层河道上的超级高坝工程，大坝最大高度达312m，坝址河床覆盖层最大厚度约68m。在此深覆盖层厚度上建如此高的土石坝，在国内已建和拟建工程中名列前茅，在国外也实属少见[1]。故在借鉴国内外已建和在建类似工程的设计、研究和施工经验的同时，开展深入的科学研究工作，具有重要的意义[2~3]。为了解双江口心墙堆石坝在蓄水运行过程中渗流场的变化和分布规律，本文结合大坝的实际情况进行渗流分析计算，进而对坝内浸润线变化规律的进行了分析研究[4~6]。

二、有限元模型的建立

计算模型所选剖面为大坝的最大纵剖面，如图1所示，计算模型坐标分别为X轴取顺河指向下游为正，Y轴沿坝高铅直向上为正，计算选取范围分别为：水平方向自距上游坝坡100m处至距下游坝坡70m处，铅直方向自坝顶至基岩面；边界条件：上下游坡面为水头边界，AB、CD为零流量边界，BC为基岩不透水边界；计算模型包括上下游堆石体、上下游过滤层、上下游反虑层、心墙、上下游覆盖层9个材料区，计算网格剖分为8707个节点，17024个单元，如图2所示。

1.计算参数

水库特征水位：正常蓄水位为304m，死水位为224m，下游水位55.21m，坝体材料参数见表1。

2.计算工况

固定下游水位（上游水位选取正常蓄水位304m，下游水位选取55.21m），不改变坝体其他材料参数，仅考虑改变心墙渗透系数和堆石体渗透系数来进行渗流分析，其工况组合如下：

1堆石体渗透系数1.00×10-1cm/s+心墙渗透系数为7.00×10-7cm/s

2堆石体渗透系数1.00×10-1cm/s+心墙渗透系数为7.00×10-6cm/s

3堆石体渗透系数1.00×10-1cm/s+心墙渗透系数为7.00×10-5cm/s

4堆石体渗透系数1.00×10-2cm/s+心墙渗透系数为7.00×10-7cm/s

5堆石体渗透系数1.00×10-2cm/s+心墙渗透系数为7.00×10-6cm/s

6堆石体渗透系数1.00×10-2cm/s+心墙渗透系数为7.00×10-5cm/s

7堆石体渗透系数1.00×10-3cm/s+心墙渗透系数为7.00×10-7cm/s

8堆石体渗透系数1.00×10-3cm/s+心墙渗透系数为7.00×10-6cm/s

9堆石体渗透系数1.00×10-3cm/s+心墙渗透系数为7.00×10-5cm/s

3.计算结果分析

为了更好研究浸润线的变化情况，取坝内的典型代表点A(节点号1427）、B(节点号2472）、C(节点号2952）、D(节点号3484）、E(节点号3954）、F(节点号4354）、G(节点号5387）、H(节点号7541）来进行分析，如图1所示，其计算的压力水头值见表2，心墙下游坡浸润线的逸出高度见表3，曲线图见图3。为了便于比较，选取工况一参照标准，不同工况的压力水头变化量见表4，其曲线图见图4。为了预测渗流量的变化，取经过坝轴线的纵剖面作为渗漏参考面，其不同工况的渗漏计算结果见表5。曲线图见图5。

从表4可以看出，其压力水头变化量均为正值，说明在心墙其他工况的浸润线均在工况一来浸润线的下方，其变化值越大说明浸润线越低，结合表4和图4来看，工况六、工况九和工况三的变化值较大，其中工况六最大，其浸润线最低，但是这不能说明其逸出高度越低，从而再根据表3和图3的显示，其心墙下游坡的逸出高度中，工况六最高，其位置在Y坐标为76.63m处，工况九（Y=65.22m）和工况三（Y=63.67）次之，说明工况六的水流穿过心墙较快，其心墙的防渗效果差，为最不利工况组合。从表5和图5中我们也可以得出，工况六的渗漏量最大为43.9133m3/d，工况九和工况三次之，这就和上面分析的相吻合，可以推定工况六，工况九和工况三的防渗效果极差，都为较不利的工况组合，工程中不宜选用。

为了进一步分析，从图4中分离出工况八以下的曲线重新绘制成图6，再结合表3、表4、表5、图3和图5中的信息，可以得出工况一、工况四和工况七的组合方式较优，其中工况一的浸润线最低，下游坡逸出高度最低，工况七和工况四次之；从逸出高度和渗流量来看工况七的组合比工况四的组合较为合理。

综上所述，可见心墙材料的选择对坝的防渗起着重要的作用，心墙渗透系数越小，则心墙的防渗效果越突出，但若是坝体材料与心墙的材料参数相差较大（工况一中的渗透系数组合），则在非稳定渗流过程中，由于非饱和区的影响，自由面附近的饱和孔隙水产生的渗流动水压力将会影响坝坡的稳定，在设计施工时应该引起注意，应结合多种因素来选取较优的渗控方案。通过此次计算，结合多方面因素考虑，工况七的方案最优，工况四方案次之。

三、结语

在高山峡谷地区、深厚覆盖层河道上的建超高坝，对其进行渗流分析尤为重要，而材料参数的合理选取便成为一个关键性问题。

通过材料参数的敏感性分析，可以得出心墙的渗透系数越小，其防渗效果越显著，但不能得出坝的渗透稳定性越好，应该根据实际情况和设计施工的难易程度等多方面进行考虑来合理选取渗控方案。

考虑非饱和区的影响，对材料参数进行敏感性分析，为今后大坝的结构设计和施工提供基础资料和参考依据。■

（由三峡大学土木水电学院供稿）

参考文献

[1]张爱军等.高心墙土石坝三向渗流问题的研究[J].人民长江，2004，（5）

[2]高骥,雷光耀等.堤坝饱和非饱和渗流的数值分析[J],岩上工程学报1988，10(6)：28-37

[3]毛昶熙.渗流计算分析与计算[M],北京:水利电力出版社.1990:62-68.

[4]张家发.土坝饱和与非饱和稳定渗流场的有限元分析[J],长江科学院院报.1994(9):41-45

[5]蔡勇平，蔡勇斌等，水位降落时土石坝不稳定渗流计算[J].江西水利科技，2005，（6）

[6]李章浩等，考虑非饱和区影响的土石坝渗流有限元计算[J].红水河，2005，(3)

作者简介

刘晓庆（1980－），男，在读硕士研究生，研究方向：高坝设计理论及方法

来源：《中国水利水电市场》2007年12期