，，

(1.河南靈捷水利勘測設(shè)計(jì)研究有限公司,河南 南陽 473000;2.南陽市水利建筑勘測設(shè)計(jì)院,河南 南陽 473000)

復(fù)雜介質(zhì)的土壩滲流計(jì)算分析

杜躍亭1，賈鵬生2，張麗麗1

(1.河南靈捷水利勘測設(shè)計(jì)研究有限公司,河南 南陽 473000;2.南陽市水利建筑勘測設(shè)計(jì)院,河南 南陽 473000)

在早期修建的土石壩水利工程中，由于地質(zhì)勘查相對落后，不能準(zhǔn)確查清壩基地質(zhì)條件，加上施工過程中取材有差異，導(dǎo)致壩體、壩基局部相鄰介質(zhì)的滲透性相差較大。常規(guī)的滲流計(jì)算方法得到的滲流計(jì)算結(jié)果不合理，通過增設(shè)滲流過渡區(qū)域的手段，降低相鄰介質(zhì)滲透系數(shù)偏差，較好地解決了復(fù)雜介質(zhì)的滲流計(jì)算問題。

復(fù)雜介質(zhì)；土石壩;滲流分析

早期的土石壩，大多為“三邊”工程，加之當(dāng)時的地質(zhì)勘察技術(shù)相對落后，不能很清楚地探明壩址區(qū)域內(nèi)的地層情況，導(dǎo)致很多壩基未清理至發(fā)育較好的巖層、土層即開始筑壩，或者直接對山體進(jìn)行削坡后即作為壩體的一部分。另外，由于早期施工過程中，取材有差異，導(dǎo)致壩體材料非常復(fù)雜，相鄰的兩層介質(zhì)滲透性可能相差1～4個量級。由于早期水庫運(yùn)行水位較低，滲流問題不是很明顯，然而隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，用水需求日益增大，這類水庫的滲流問題逐漸凸顯。

針對這一問題的滲流場數(shù)值分析，目前較多采用各向同性滲流理論或沿坐標(biāo)軸的各向異性理論進(jìn)行分析[1，2]。常規(guī)的分析結(jié)果表明：相鄰兩層介質(zhì)的滲透系數(shù)比值小于103數(shù)量級時，可以直接進(jìn)行計(jì)算，否則將出現(xiàn)錯誤的結(jié)果或迭代不收斂問題[3]。

為了避免出現(xiàn)相鄰介質(zhì)層滲透系數(shù)相差較大的情況，可通過設(shè)置過渡區(qū)域的手段加以解決。基于滲流有限元分析的基本原理, 利用Geo-studio中的SEEP /W 模塊[4],模擬壩體滲流情況。

1 計(jì)算方法

1.1 有限元計(jì)算原理

對土壩的滲透分析采用基于有限元法的SEEP/W進(jìn)行，通過賦予材料特性和邊界條件，求得土體內(nèi)部的滲流場和滲透力分布情況，分析最可能發(fā)生破壞的位置。

有限元滲流分析時水體在土體內(nèi)部的流動方程符合達(dá)西規(guī)律，根據(jù)是否考慮時間效應(yīng)，將計(jì)算分析劃分為穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種情況。穩(wěn)態(tài)為理想狀態(tài)，不考慮時間和初始內(nèi)部體積含水量變化的影響，流體的運(yùn)動方程見式(1)，實(shí)際上這種理想狀態(tài)在入滲過程中很難達(dá)到。瞬態(tài)分析考慮了時間作用，用以分析庫水位變化時入滲過程中水位及浸潤線等隨時間的變化過程，流體運(yùn)動方程見式(2)，當(dāng)計(jì)算時間足夠長時，瞬態(tài)分析結(jié)果接近穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果。

穩(wěn)態(tài)方程：

(1)

瞬態(tài)方程：

(2)

上二式中H——總水頭；

kx、ky——x、y方向的滲透系數(shù)；

q——邊界流量；

θ——體積含水量；

t——時間。

有限元軟件SEEP/W材料本構(gòu)中引入非飽和土特性，程序中反映非飽和材料特性的參數(shù)有：土體的滲透系數(shù)、基質(zhì)吸力、土體體積含水量等；其中非飽和土體的滲透系數(shù)是土體體積含水量和基質(zhì)吸力的函數(shù)[5]，土體體積含水量的變化受到土體應(yīng)力狀態(tài)和土性的影響，土體應(yīng)力狀態(tài)主要由(σ-ua)和(ua-uw)控制(其中：σ1土體總應(yīng)力，在滲透分析中保持不變；ua為孔隙氣壓力)[6]，假定孔隙氣壓力在滲流分析中也保持恒定，則土體體積含水量只與ua-uw有關(guān)，體積含水量與時間的關(guān)系可由式(3)表示：

(3)

式中mw——由負(fù)孔隙水壓力引起的體積變化系數(shù)，為土水特征曲線斜率。

將式(3)代入式(2)得到非飽和土體的流體運(yùn)動方程：

(4)

1.2 過渡區(qū)域滲透系數(shù)及厚度的確定

由于過渡區(qū)域的滲透性和兩種介質(zhì)都有關(guān)系，同時也為防止因兩種介質(zhì)滲透性差異過大導(dǎo)致模型求解不收斂問題，采用下式確定過渡區(qū)域的滲透系數(shù)[3]：

(5)

式中k——過渡區(qū)域的滲透系數(shù)；

k1、k2——相鄰介質(zhì)1、2的滲透系數(shù)。

過渡帶的厚度根據(jù)單元尺寸取0.5m。

2 工程概況

南陽西部某水庫于1968年10月開工興建，水庫控制流域面積58km2,總庫容2447萬m3，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級別為3級。洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇校核，校核洪水位258.65m(黃海高程系,下同)，相應(yīng)庫容2182萬m3；50年一遇設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)洪水位257.12m，相應(yīng)庫容1973萬m3；興利水位253.20m，興利庫容1250萬m3。主壩為黏土均質(zhì)壩，壩頂高程261.30m，壩長630m，最大壩高36.3m。目前，該水庫是一座以防洪、灌溉為主，兼顧發(fā)電、養(yǎng)魚等綜合利用的水利樞紐工程。

該水庫大壩左臺地段原為一條很厚的土丘嶺，修建水庫時在左臺地上、下游取土，并按照設(shè)計(jì)壩坡坡度將天然土丘嶺進(jìn)行削坡，最終形成類似壩體形式的壩基(根據(jù)工程實(shí)際，為了便于模型建立和滲流分析計(jì)算，簡化為壩體進(jìn)行分析)。壩體材料自上而下依次為：壩體填土、泥質(zhì)中砂、粉質(zhì)壤土、泥質(zhì)砂礫石(詳見圖1)。

壩體填土厚15.8～18.3m,黃褐、棕褐色，填土性質(zhì)較復(fù)雜，以含礫重粉質(zhì)壤土、含礫粉質(zhì)黏土為主，含風(fēng)化石渣、礫石及砂粒，分布不均勻。泥質(zhì)中砂以透鏡體形式分布于241.90～244.50m高程，層厚0.8～4.2m, 滲透系數(shù)4.65×10-5m/s，強(qiáng)透水層，局部貫通形成滲漏通道。粉質(zhì)壤土層厚9.7～14.0m，含少量礫石、砂粒，砂粒分布不均勻。泥質(zhì)砂礫石層頂高程229.1～234.1m,層厚2.0～7.3m，滲透系數(shù)9.2×10-4m/s，強(qiáng)透水層，泥質(zhì)含量21.4%，砂粒含量50.4%，卵、礫石含量28.2%，卵石粒徑5～10cm，成分以灰白色砂礫巖為主。

由于水庫除險加固前一直為低水位運(yùn)行，未形成滲流破壞。近年來隨著水資源日益緊缺，工程除險加固后，水庫開始長期高水位運(yùn)行，強(qiáng)透水層滲流問題逐漸顯現(xiàn)，水位在254.60m時，散浸面積達(dá)780m2，水位在250.00m時，散浸面積也有150m2。為此，設(shè)計(jì)采取塑性混凝土防滲墻工程措施來進(jìn)行除險加固。

圖1 最大壩高斷面地層分布

3 計(jì)算模型及參數(shù)

結(jié)合土石壩壩址區(qū)地形地質(zhì)條件,以壩段最大壩高剖面為對象,建立平面有限元計(jì)算模型，采用 3節(jié)點(diǎn)和4節(jié)點(diǎn)平面等參單元對壩體及壩基劃分單元,單元總數(shù)8951個, 節(jié)點(diǎn)總數(shù)9165個,二維有限元模型見圖2。各分區(qū)材料的滲透系數(shù)見下表。

圖2 SEEP/W單元網(wǎng)格模型

壩體及過渡區(qū)域材料滲透系數(shù)表

4 計(jì)算成果及分析

本文僅選取正常水位工況下壩體滲流場的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 未設(shè)置滲流過渡區(qū)域滲流場分布 單位：m

圖4 設(shè)置滲流過渡區(qū)域滲流場分布 單位：m

由圖3、圖4正常水位工況下壩體壩基的滲流場可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壩體未設(shè)置滲流過渡區(qū)域時，浸潤線經(jīng)塑性混凝土心墻時折減較小，壩體浸潤線呈不規(guī)則分布，背水坡中部出現(xiàn)封閉的滲流場，且出現(xiàn)二次逸出的現(xiàn)象，出現(xiàn)該種情況的原因是相鄰兩層介質(zhì)的滲透系數(shù)太大，導(dǎo)致有限元計(jì)算時形成的滲透系數(shù)矩陣出現(xiàn)奇異。當(dāng)壩體設(shè)置滲流過渡區(qū)域時，可以看出浸潤線經(jīng)塑性混凝土心墻時折減較大，滲流場分布合理，浸潤線呈光滑漸變，逸出點(diǎn)位置合理，說明增設(shè)滲流過渡區(qū)域可以較好地解決相鄰介質(zhì)滲透系數(shù)相差較大的滲流計(jì)算問題。另外，通過在壩體設(shè)置的浸潤觀測管觀測數(shù)據(jù)，其形成的浸潤線與增設(shè)過渡區(qū)域后的滲流計(jì)算結(jié)果接近，這也進(jìn)一步說明本文的結(jié)果是合理的。

5 結(jié) 語

早期修建的土石壩，地質(zhì)勘查技術(shù)相對落后，未準(zhǔn)確查清地質(zhì)情況即開始筑壩，導(dǎo)致清基不徹底，壩體比較復(fù)雜，相鄰介質(zhì)的滲透性相差較大，常規(guī)的滲流計(jì)算方法得到的滲流計(jì)算結(jié)果大多不合理甚至錯誤。本文通過在滲透性相差較大的相鄰介質(zhì)中間增設(shè)滲流過渡區(qū)域的手段，降低相鄰介質(zhì)滲透系數(shù)偏差，較好地解決了復(fù)雜介質(zhì)的滲流計(jì)算問題。

[1]Brunone B.，Romano N.，Santini A.Numerical Simulations of one-dimensional infiltration into layered soils with Richards equation using different estimates of the interlayer conductivity [J].Vadose Zone Journal，2003(2): 193-200.

[2]Lima-Vivancos V.，Voller V.R.Two numerical methods for modeling variably saturated flow in layered Media [J].Vadose Zone Journal，2004(3): 1031-1037.

[3]劉昌軍,丁留謙,寧保輝,張順福.心墻土石壩滲流場的無單元法模擬[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2012(3).

[4]Fredlund D G， Rahardjo H.Soil Mechanics for Unsaturated Soils[M].New York:Wiley,1993.

[5]Fredlund D G， Morgenstern N R. Constitutive relations for volume change in unsaturated soils [J]. Can Geotech J.,1976(13)：261-276.

CalculationAnalysisofEarthDamSeepageinComplicatedMedium

DU Yue-ting1,JIA Peng-sheng2, ZHANG Li-li1

(1.HenanLingjieHydraulicInvestigationandDesignResearchInstituteCo.,Ltd.,Nanyang473000,China;

2.NanyangHydraulicBuildingInvestigationandDesignInstitute,Nanyang473000,China)

During early process of constructing earth and rock dam hydraulic project, geological condition on the foundation of the dam can not be found precisely due to geological investigation was relatively lagged behind, plus there was difference in using materials during the process of construction, causing greater differences of penetration in local neighbored medium in dam body and the foundation of dam. Seepage calculation result obtained from regular seepage calculation methodology is not reasonable, and seepage calculation issue of complicated medium can be better solved with means of adding seepage transition area and reducing deviation of penetration coefficient of neighbored medium.

complicated medium; earth and rock dam; seepage analysis

TV641

A

1673-8241(2014)09-0067-04