除险加固前后土石坝坝体渗流及坝坡稳定性分析

袁旭琦，卢士亮，许 超

(江苏省水利工程科技咨询股份有限公司，南京 210029)

1 概 述

土石坝材料结构简单，受地形和地质条件限制程度较低，一直是水库修建时的主要选择。随着现代社会的进步，原先的坝体填筑材料由于质量不高，难以满足当前灌溉和防洪等多方面的需求[1-2]。并且受大坝清基不彻底、管理运营不当等诸多因素的影响，部分水库常年漏水，工作效益不断下降，对下游居民生产生活构成较大威胁。

坝坡稳定和渗流在土石坝设计及管理过程中不可或缺，对土石坝的安全和稳定性评估具有重要意义。宋昊等[3]对斜心墙土石坝进行了渗流稳定性分析，同时考虑非稳定工况和稳定工况两种情况，结果表明上游降落水位与坝体渗流量呈正相关关系。而在实际运用中，目前的方法难以提供有效的参照依据，甚至与真实情况存在较大偏差。因此，本文以坝体渗特征为切入点，运用有限元法，对其渗流稳定性进行计算，以期客观评价除险加固效果，并为解决类似工程问题提供方法与借鉴。

2 除险加固前后土石坝坝体渗流及坝坡稳定性分析

2.1 坝体渗流及坝坡稳定分析方法

在土石坝的一般结构中，以散粒体为主。而参照坝基的沙砾可以发现，其构成成分之间均客观存在着一定空隙。这些空隙使坝体结构具有透水性，从而导致渗流现象的发生。在库区相关人员的监管之下或者由于坝体本身设计原因出现的渗流，称作正常情况下的渗流[4-5]。可以通过以下几种状态进行判断：①是每个部位都有渗流现象发生；②是渗流流量不大，水质较好，即清亮明澈，其间仅有极少量的土壤颗粒，这种情况下的渗流对坝体和坝基基本不会产生任何损害。但在一些情况下，渗流的水质较低，呈现出浑浊状，渗流流量也较平常更大。同时难以看清水流性状，水中含有大量泥沙，此时则出现了异常渗流。这种渗流会对坝体和坝基产生极大的不良影响，使其在接触性冲刷、流土等作用下遭到严重损害，从而导致土体渗透破坏[6-7]。

一般来说，在孔隙中出现流动液体，其流过的过程即为渗流发生的过程。在渗流过程中，由于孔隙的三维存在特性，其外形以及尺寸都存在或多或少的差异，导致其复杂多变，难以真正掌握其运动变化的规律。在水力坡降与渗流速度之间，存在着一定的难以用一般方法反映的线性关系。而达西定律能够计算出渗流场中所有点的渗流速度，因此本研究采用该方法对土石坝出险加固前后进行渗流计算。由于土石坝整体上通常是非饱和状态，土-水特征曲线则成为描述这种状态的可靠路径。土-水特征曲线是非线性函数，反映的是基质吸力与含水率之间的函数关系。其因土体颗粒和土体含水率等因素的影响发生改变，能够真实描述非饱和土体状况，本研究通过Van Genuchten代理模型与之相贴合。

在进行渗流的求解时，有限元法是目前实现效果最好的方法之一。其能够进行区域划分，通过自身特性将整体的一部分渗流区域分解为独立的子区域。需要说明的是，这些子区域并不是完全独立的，而是彼此之间连接的，也是事实上的有限元。单元之间能够任意结合，其本身特性具有多变性，因此能够对形状变化较大的求解域实施模型化步骤[8-9]。Geo-Studio软件是实用性较高的有限元软件，在水利、岩土、地质等领域应用广泛，其包含的Seep/W模块常被用来处理非饱和渗流问题。Seep/W模块将目标模型划分为网格，通过有限元数值模拟实现渗流分析，可以清晰地探察到孔隙压力分布情况，并由此得到变化规律。同时，能够直接定义边界条件，随时分析二维流动、不饱和瞬态渗流，并保证结果的准确度始终处于较高的水平。其计算过程见图1。

而该软件中的Slope/W模块，在处理边坡滑移面及安全系数方面表现出极好的性能。Slope/W模块的理论基础是极限平衡法，其本身拥有丰富的计算分析方法，同时带有庞大的数据库，可以解决孔隙裂隙之类的所有问题。所以在研究过程中，通过Slope/W模块处理坝体渗流问题，然后利用其所包括的Seep/W模块进一步分析除险加固后的稳定性。通过输入实验过程所需的数据，利用该模块中的模型参数，对实验对象进行有限元模拟分析，就能够以较快的速度获得与实际情况最为符合的结果。

图1 Seep/W模块计算过程

2.2 工程概况

江苏省内有淮河、沐河等多条重要河流穿过，已建各类规模水库900座以上。研究选择的水库位于南京市南部地区，坐落在秦淮河支流上游，总体地势为北部较低，南部偏高，属于拦河水库。该水库兼具防洪、养殖、供水、灌溉、旅游等多种效益，灌溉面积302.333hm2，正常蓄水位1 881.42m，相应库容为150m3，总库容300m3。由于长时间的运行，且缺乏较为严密的管理和维护，水库淤积严重，浸润线持续增加、上游无护坡、坝体渗漏等问题逐渐增多。经现场考察发现，坝体填土质量较差，在靠近低山丘陵处区域没有设置相应的排水沟。坝脚显现出较多散浸点，排水体已经难以搜寻，坝基与坝体渗漏严重，洪水冲刷下的破坏痕迹明显。在坝顶处，小型冲沟较为常见，填筑质量下降，抗洪能力不够，多次出现险情，对下游地区的安全造成巨大威胁。面对该水库现状，特别是渗流问题，主要通过库盘区清淤来维护坝体稳定，并将清淤土料用于修补后坝，同时补设排水体、排水沟。在库区上游，采取削坡措施，降低至安全坡比。对于原来无法发挥作用的排水棱体，首先进行拆除，然后根据实地环境进行重建，同时加高坝体，新建混凝土护坡和坝顶盖面。盖面材料为泥结碎石，护坡厚度为0.15m。在护坡下设置土工膜，并在膜下增加砂砾石垫层20cm。新增槽孔防渗墙，厚度为0.3m。在此次除险加固后，水库兴利库容达到60×104m3，总库容达到302.76×104m3，死库容为80×104m3。

将该水库最大坝高横断面作为计算模型，坝高最大值为18.3m，断面基础高程为1 888.3m，上下游坡比均为1:2.5。根据设计要求对大坝坝体加固，将坝顶宽度增加至3.8m，下游坡比保持不变，同时上游坡比转换为1:3.5。增加顶宽1.0m的贴坡排水体，其位于下游高程1 890.3m处，根据3.0m坝基影响深度实施二维有限元计算。由Geo-Studio软件中的Slope/W、Seep/W模块开展坝体渗流和坝坡稳定性分析。加固后，各分区材料参数见表1。

表1 加固后模型分区参数

根据工程的实际要求，各分区材料参数会在多种因素的影响下发生变化，因此不是固定的。将黏聚力变异系数设定为0.25，在土石坝加固后，模型三角形单元总数为2 649个，单元尺寸为1m，节点1 459个，摩擦角变异系数设定为0.15。离散模型见图2。

图2 加固后土石坝最大坝高截面离散模型

水库的土石坝通常是非饱和状态，因此需要进行非饱和渗流计算。对于坝体填筑材料的实际渗透系数来说，其大小与土水特征曲线形状有直接关联。通过Van Genuchten代理模型，分析坝体非饱和渗流及坝坡稳定性，填筑材料的饱和体积含水量设置为0.045，土水特征曲线的3个拟合参数为0.6269、2.68和0.6765kPa。水库的两个重要函数关系曲线见图3。

图3 某水库土体基质吸力与水平方向渗透系数和体积含水量等参数的函数关系

3 除险加固前后坝体渗流及坝坡稳定性结果分析

选择坝体模型在正常蓄水位(40.5m)、校核洪水位(42.67m)和设计洪水位(41.43m)时的渗流量、浸润线和渗透坡降结果进行对比，3种水位下除险加固后坝体渗流计算结果见图4。

图4 3种水位下坝体渗流情况

由图4可知，与校核洪水位的坝体浸润线相比，正常蓄水位和设计洪水位的浸润线位置均较低。当水位升高时，浸润线位置也随之增高，此时上游的渗透压力也会逐渐增大，渗流现象就会越显著，下游的出逸点高程随之上升。3种水位下除险加固后坝体渗流分析结果统计见表2。

表2 3种不同水位下的渗流统计结果

由表2可知，渗流速率、溢出坡降和单宽流量的最大值均出现在校核洪水位工况下，表明水位变化与渗流速率、单宽流量的正相关关系。即随着水位的降低，二者值变小；当水位上升时，二者值随之增大。允许坡降的标准为2～10，而正常蓄水位、校核洪水位和设计洪水位的帷幕坡降分别为3.120 5、3.361 7和3.249 8，允许坡降均为0.15，符合现行标准。同时可以看出，坝体的渗流量较小，远小于规范值，渗流状态良好。然后统计稳态工况下除险加固前后土石坝的渗流稳定结果，见表3。

表3 稳定工况下除险加固前后渗流稳定结果

从表3的渗流稳定结果对比可知，在该水库除险加固前，3种水位下，上游坝坡的稳定安全系数均在2.5以下，平均值为2.391；除险加固后，上游坝坡的稳定安全系数均超过3，平均值为3.305，上游坝坡的稳定性和安全性都有较大提升。在下游坝坡的安全系数方面，除险加固后与加固前相比，仍有一定的提升。在渗流量方面，3种水位下都有明显减少，下降量均在2×10-4m3/s以上，渗流情况得到明显改善。同时表明，除险加固措施取得较大的正面效果，具有较好的适用性。当水库水位突然下降时，则为瞬态渗流工况，失稳概率及安全系数变化结果见图5。

图5 瞬态渗流工况下除险加固前后下游坝坡失稳概率和上游坝坡安全系数

通过48h的观察发现，坝坡上游水位降至1 881.94m，已达到水库的死水位。水位下降过程是从正常蓄水位(1 883.8m)开始的。在该工况下，通过简化Bishop法，得到上游坝坡安全系数为2.510、下游为1.849。根据设计规范规定必须小于标准值(1.15)，由此可知所得安全系数高于标准值。

由图5(a)可知，加固前后的上游坝坡安全系数均在一开始有较为显著的下降，然后以缓慢的速度提升，且折线拐点都出现在10 000s附近。具体来看，尽管二者的趋势相同，但加固后的结果一直比加固前更大，最大值为3.2，最小也超过1.6，安全性大幅度增加。在最大值比较方面，加固前后仍然有1.2的差距，说明加固后坝体安全性得到较大提升。

由图5(b)可知，下游坝坡通过加固措施修正后，失稳概率随水位提升而逐渐下降，这种变化满足相关规范要求。下游坝坡失稳概率在10 000s处开始出现显著下降，然后逐渐保持稳定，并降至较低水平。加固后的下游坝坡失稳概率始终趋近于0%，且呈一直下降的趋势。与加固前相比，失稳概率降低幅度较大，说明加固后大坝结构安全性能明显改善，表明该除险加固措施的有效性。

4 结 论

土石坝渗流及坝坡稳定性分析是当前维护水库库区安全的重要基础。本文首先分析了土石坝的土料结构，并将渗流现象作为出发点探求计算方法。然后运用Geo-Studio软件中的Slope/W和Seep/W模块，分析了除险加固前后土石坝的渗流情况以及上下游坝坡的稳定性。结果表明，在帷幕坡降方面，坝体除险加固后3种水位所得结果均大于3.1，渗流状态良好。加固后的下游坝坡失稳概率基本在0%左右波动，符合规范要求，提高了大坝安全性能，表明除险加固措施能够有效改善大坝渗流问题，同时也验证了该方法的有效性。