| 标题 | 考虑材料渗透性各向异性的土石坝渗流分析 |
| 范文 | 陈勇 汤用泉 基金项目:湖北省教育厅重点科研项目（D20121303）资助 作者简介:陈勇（1980玻，男，湖北襄阳人，副教授，博士，主要从事非饱和土力学及其应用研究。E瞞ail:cyonger@126.comDOI：10.13476/j.cnki.nsbdqk.2014.04.035 摘要：土石坝渗流分析是大坝渗流安全评价和渗控方案设计的重要依据。根据海南省三亚市西部的宁远河中下游河段的大隆水利枢纽工程土石坝振冲填筑施工特点，利用饱和卜潜ズ腿维渗流理论，分析了土石坝体在不同工况下的渗流场。将结果与材料各向异性时的渗流场进行对比分析后发现：对于无基坑振冲碾压土石坝来说，分层碾压造成的坝体材料渗透性各向异性特征，对渗透系数较小的防渗区土料影响较大，出现坝体上游防渗土料的渗流速度增大而坝体中部防渗土料的渗透速度降低的现象；且材料各向异性使整个断面的渗流量有较为明显的降低；坝内孔隙水压力分布主要与上游水位高度密切相关，且大坝上下游水位差越大，坝内流速和流量就越大。 关键词：土石坝;渗流场;非饱和渗流;各向异性,振冲填筑 中图分类号：TV641文献标志码：A文章编号：16721683（2014）04016104 Seepage Analysis of Earth Dam with Anisotropic Material Permeability CHEN Yong1，TANG Yong瞦uan2 (1.College of Civil Engineering and Architecture,China Three Gorges University, 2.No.1 Engineering Limited Company,China Gezhouba Group Corporation，Yi chang 443002，China) Abstract:Seepage analysis of earth dam is the important basis for the evaluation of seepage safety and scheme design of seepage control.According to the vibration filling construction characteristics of the earth dam of Dalong water瞔ontrol project in the middle and lower reaches of Ningyuan River in Sanya city of Hainan Province,the seepage fields of earth dam under different working conditions were analyzed based on the three瞕imensional saturated瞮nsaturated seepage theory.The seepage fields based on the anisotropic and isotropic material permeability were compared and the results showed that(1)as for the earth dam under vibration compaction without foundation pit,layered compaction can cause the anisotropic material permeability,which can have greater impacts on the anti瞫eepage earth material with lower permeability and result in the phenomenon of increasing seepage velocity in the anti瞫eepage material upstream of earth dam and decreasing seepage velocity in the anti瞫eepage material in the middle stream of earth dam;(2)anisotropic material permeability can lower the seepage discharge significantly across the entire section of earth dam;and(3)distribution of pore water pressure in the earth dam is closely related to the upstream water level,and the seepage velocity and seepage discharge in the earth dam is affected by the difference of upstream and downstream water levels. Key words:earth dam;seepage field;unsaturated seepage;anisotropic;vibration filling 土石坝是由各种材料填筑而成，渗流引起的渗透破坏是土石坝工程面临的主要难题［14］，因此渗流分析计算是大坝的渗流安全评价和材料分区设计的依据［5］。在采用无基坑振冲加密施工方法填筑大坝时，分层碾压以及天然地层的分层沉积都使得坝体/坝基土层在渗流性质上表现为各向异性，从而对坝体渗流场及渗流速度产生一定的影响［69］。本文结合海南省三亚市西部的宁远河中下游河段的大隆土石坝特点［1012］，考虑材料各向异性，以饱和卜潜ズ腿维渗流理论为基础，对土石坝进行渗流分析。 1饱和卜潜ズ蜕流理论 在有限元分析软件ABAQUS中，将土体进行有限元网格划分，然后假定流体可以在这些网格中流动，且保持一种连续状态，那么多孔介质中流体的运动方程可以用连续方程来表示［1315］。根据质量守恒原理，得到流体的连续方程为： ∫V1Jddt（JρWnW）dV=-∫SρWnW∩·vWdS(1) 式中：Jdef=|dVdV0|表示土体体积的变化；vW为水流相对于固体颗粒的平均流速；∩为S面的外法线方向。 根据有限元离散原理，连续方程可在每个单元土体上表达为： 1Jddt（JρWnW）+功箈（ρWnWvW）=0(2) 根据变分原理并引入孔隙水压力的变分δuW，式（2）可写为： ∫VδuW1Jddt（JρWnW）dV+∫VδuW功箈（ρWnWvW）dV=0(3) 假设多孔介质中的流体遵循Darcy定律，且非饱和土体的渗透系数k与完全饱和土体的渗透系数K有如下关系：k=kS（S）K,其中，kS（S）是土体饱和度的函数，且kS（1）=10。将其代入式(1)得渗流场的微分方程： ∫VδuW1Jddt（JρWnW）dV+∫VδuW功箈［ρW（-k功咋箈）］dV=0(4) 另外，在流固耦合场中，土体的渗透系数不再是常数，其数值大小是随着应力场的变化而变化的。 2坝体结构 大隆土石坝坝顶长5350 m，坝宽90 m。最大坝高655 m。大坝上游坡分4级设置，分别在高程63 m、48 m和34 m处变坡，变坡处设置宽度为20 m的马道，坡比从上至下分别为1∶30、1∶30、1∶325、1∶325；在265 m高程处设一宽为16 m的平台与坝相连，平台上游以1∶325的边坡与200 m高程上游堆石戗堤平台相接。下游坝坡分4级设置，在高程63 m、48 m、34 m分设2 m宽的马道，坡比从上至下依次为1∶25、1∶275、1∶275、1∶275；高程250m以下为堆石排水棱体，其顶宽为80 m，上游面坡度为1∶15，下游面坡度为1∶2；上游面在200 m高程与下游堆石戗堤相结合；棱体上游面及堆石戗堤顶层设10 m厚的砾料反滤层，在戗堤的上游侧设3个反滤层。 3计算模型 计算模型包含防渗墙、高塑性土、防渗帷幕、防渗土料Ⅰ区、上昂式排水道、风化料Ⅲ区、石渣Ⅳ区、防渗土料Ⅱ区、填砂砾振冲层、下游堆石戗堤、堆石排水棱体、含泥砂砾卵石、基岩、中粗砂层共14种材料，见图1。三维计算模型网格见图2，其中：X方向为水流方向、Y方向为竖直方向、Z方向为坝轴线方向。土石坝渗流计算工况见表1，各向同性材料的渗透系数Ky=Kx=Kz，各向异性材料渗透系数Kx=Kz，而将Ky修正为05Kx，见表2。图1土石坝剖面及分区 Fig.1Cross section and zonations of earth dam表1渗流分析工况 Table 1The working conditions for seepage analysis 序号工况上游水位/下游水位/m渗流参数工况1正常蓄水70/142工况2设计洪水7093/2187工况3校核洪水7458/2385工况4正常蓄水70/142各向同性各向异性图2三维计算模型网格 Fig.2Meashes of three瞕imensional calculation4渗流计算结果分析 为了分析材料渗透性各向异性对大坝渗流场的影响，对不同工况下大坝渗流场进行模拟、对比。 （1）选择正常蓄水位条件下的两种工况（工况1和工况4）进行对比，结果见图3。两种工况下“防渗土料” 和“堆石排水棱体”内的水流流速分布规律基本一致，但工况4的坝体局部流速出现突变现象，最大流速数值比工况1有显著的减小，其原因显然在于两种工况的唯一区别：Y方向的渗透系数相差1倍，造成渗流场分布及不同方向的流速大小发生变化。 （2）选择坝体中6个关键点见图1，土石坝各工况下各关键点X方向流速对比结果见图4，Y方向流速对比结果见图5，孔压对比结果见图6，单宽总渗流量对比结果见图7。 由图4可知：工况2(设计洪水)与工况3(校核洪水)下关键点X方向流速较接近，其中工况3略大；工况1(正常蓄水位)下关键点X方向流速比工况2与工况3要大，其中上昂式排水道中X方向流速相差最大，防渗土料Ⅰ区次之，防渗土料Ⅱ区相差最小，这就说明X方向流速除了受控于上下游水位差，还与材料自身的渗透系数相关；而工况1(正常表2各分区的材料参数 Table 2Material parameters of different zones 参数材料防渗墙高塑 性土防渗 帷幕防渗土料 (Ⅰ区)上昂式 排水道风化料 (Ⅲ区)石渣 (Ⅳ区)防渗土料 (Ⅱ区)填砂砾 振冲层下游堆 石戗堤堆石排 水棱体含泥砂 砾卵石基岩中粗 砂密度/(g·cm3)272127196181831819618826266188267182Kz=Kx/(cm·s1)1盓121盓6 1盓1012E55盓11盓45盓311E44盓28盓28盓24盓21盓91盓2Ky=05Kx/(cm·S1)5盓135盓7 5盓116盓625E15盓525E355E52盓24盓24盓22盓25盓105盓3孔隙比040078040072070065070072070039034072048080图3两种工况条件下某断面Y方向 有效流速分布（单位:m/d） Fig.3Distribution of effective velocity in Y direction of one cross section under two different working conditions(unit:m/d) 蓄水)与工况4(正常蓄水+材料各向异性)下大部分关键点X方向流速相差较小，防渗土料Ⅱ区关键点X方向流速相差较大，其主要原因是该区域位于坝体上游坡面处，水力梯度变化和水压力作用较大，竖向渗透系数的降低会导致X方向流速明显增大。 由图5可知：对于关键点Y方向流速，工况1下比工况2与工况3要大，工况2与工况3较接近；其中上昂式排水道中关键点Y方向流速向下，且不同工况相差较大，该现象也主要是因上游水压力不同导致的；而防渗土料中的Y向流速是向上的，但流速大小比X方向小1个数量级，其原因是水流从上游面渗入后在防渗土料中流动并在帷幕处向上绕渗；工况1与工况4对比，防渗土料Ⅰ区中关键点Y方向流速相差最大，其中KP3点Y向流速出现转向的主要原因是，当竖向渗透系数降低时，高塑性土周边局部水流在水压力作用下出现突变，该点流速改为向下。 联合图4和图5可知：各工况下，坝体下游X方向有效流速较大，形成良好的排水通道，减小了渗透压力。下游风化料Ⅲ区与石渣Ⅳ区中无渗透水，坝下稳定性不受渗透水的影响。防渗土料Ⅱ区和Ⅰ区中水平方向有效流速相比坝体下游要小。以防渗墙与高塑性土为界，坝上部分竖向有效流速竖直向上，坝下部分竖向有效流速向下，增加渗径长度，有效减小了渗透压力。 由图6可知：工况1下关键点孔压比工况2与工况3小，工况3下关键点孔压最大，主要原因是孔压主要受控于上游水位的高度，水位越高则孔压越大；而工况1与工况4下关键点孔压相差很小。 由图7可知：工况1下单宽总渗流量比工况2与工况3要大，其中工况2最小；当Y方向的渗透系数减小一半时，工况4单宽总渗流量比工况1减小约11%。所以，上下游水位差和渗透系数直接影响大坝整体的渗流量。 图4各工况关键点X方向流速对比 Fig.4Comparison of seepage velocities in X direction at two key points under different working conditions5结语 本文基于饱和卜潜ズ蜕流理论，采用三维有限方法并考虑材料渗透系数的各向异性，对海南大隆水利枢纽工程土石坝进行渗流分析，得出以下结论。 （1）材料各向同性时，土石坝中X方向流速和孔压的分布数值均与上下游水位差有关，水位差越大，X方向流速和相应点的孔压也越大，所以，与正常蓄水位工况1相比，设计洪水位、校核洪水位工况下，对坝体的安全稳定相对不利。 （2）在材料各向异性的工况4下，竖直渗透系数减半，导致坝体局部流速出现突变现象，但整体最大流速数值比工况1有显著的减小，对坝体稳定性有利。渗透系数变化对上昂 图5各工况下关键点Y方向流速对比 Fig.5Comparison of seepage velocities in Y direction at two key points under different working conditions 图6各工况关键点孔压对比 Fig.6Comparison of pore water pressures at two key points under different working conditions 式排水道的流速没有明显影响。 （3）竖直渗透系数减半对整体X方向流速影响较小，仅在防渗土料Ⅱ区局部有所增大。 (4)防渗土料Ⅱ区和Ⅰ区内Y方向流速比X方向流速小1个数量级，且方向向上，绕渗通过防渗墙与高塑性土为，在转为向下流入上昂式排水道；竖直渗透系数减半使靠近高塑性土上部的局部水流方向改为向下，有效减小了向下游的渗流。 图7各工况单宽总渗流量对比 Fig.7Comparison of total seepage discharges under different working conditions (5)坝体内的孔压主要受控于上游水位的高度，渗透系数变化对孔压分布影响较小。但竖直渗透系数减半直接导致单宽总渗流量比工况1减小约11%，对坝体稳定和水库蓄水有利。 参考文献（References）： ［1］Mohamed Abd El睷azek M Rezk,Abdel睞ziz A A Senoon.Analytical Solution of Earth Dam With Upstream Blanket［J］.Alexandria Engineering Journal.2012,51(1),4551. ［2］Ozer AT,Bromwell LG.Stability Assessment Of An Earth Dam on Silt/Clay Tailings Foundation:A Case Study［J］.Engineering Geology.2012,151(1):8889 ［3］贺亚魏,孟军省,刘雪梅.水位升降对粘土心墙土石坝渗流稳定性分析［J］.武汉大学学报(工学版)，2008,41(5):9296(HE Ya瞱ei,MENG Jun瞫heng,LIU Xue瞞ei.Analysis of Seepage Stability 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