土石壩對水流滲流過程的影響研究

周 杰

（泗縣水利局,安徽 泗縣 234300）

1 前言

土石壩在各類蓄水工程中廣泛應用。為了能夠對土石壩的工作性能有明確認識,許多學者對土石壩工程的壩體及壩基的各類相關力學性質和特點開展了廣泛研究,詹美禮等[1]對充填管袋滲流各向異性特征及堤壩管袋堆積體內的應力-滲流相互耦合作用的特征關系進行了研究,研究結果表明：滲流主要沿著管袋間接縫向下游運動,管袋接縫呈現(xiàn)的與滲流方向的位置情況不同,滲透系數(shù)大不相同,上覆應力也會對滲透系數(shù)產生重要影響,同時影響滲流的各向異性。吳世余等[2]在毛管水存在條件下對由其所產生的對土體強度、土體變形和水在土中的滲流影響作用進行了研究。研究結果表明：粉性土水壓傳遞特征與其較高的毛管水頭和較大的滲流系數(shù)有直接關系,毛管水的存在將會對此類土修筑的堤壩工程特性產生明顯影響。劉曉等[3]針對堤壩滲漏監(jiān)測數(shù)據(jù)受到多種因素干擾的問題,通過滲漏地電模型的兩組對比試驗的結果分析,表明所建立的滲漏地電模型能夠優(yōu)化監(jiān)測數(shù)據(jù),達到對監(jiān)測數(shù)據(jù)的正確解譯,從而為滲流預警提供幫助。林岳等[4]根據(jù)《國際堤壩手冊》中介紹的堤壩侵蝕破壞機理,總結分析并對比了國內外用于堤壩設計的各類規(guī)范和準則中關于堤壩破壞的準則判斷,為我國基建提供了數(shù)據(jù)支撐。李向陽等[5]對有關土石堤壩滲漏監(jiān)測問題進行了深入研究,研究結果表明：電場耦合建立的數(shù)學模型能夠將滲流場與電場同步關聯(lián),從而對介質電阻率隨滲流場的變化特征進行模擬,據(jù)此判斷滲透破壞時的特征。由于電流場與滲流場的相似性,戴前偉等[6]通過檢測電流場電位差研究迎水面和背水面的滲流特征,從而獲得與土壩管涌發(fā)生的滲流特征相關參數(shù)的變化過程。研究結果表明：矢量電流流場法對于揭示與土石壩滲流相關問題十分有效,為堤壩滲流相關問題的研究提供了新思路。作為一個取水水源水庫,青草沙水庫在上海市的供水系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用,陸忠民等[7]對水庫堤壩設計中遇到的多種復雜地質和水文條件進行了安全驗證。驗證結果表明：該水壩設計具有抗擊多種復雜地質水文條件的能力,是一個具有一系列創(chuàng)新成果的堤壩設計。

以上學者雖然針對土石壩滲流中遇到的多種問題開展了深入研究,但是對土石壩的存在條件下,水流在壩體內的滲流運動過程的研究尚未見諸文獻中。本文根據(jù)一現(xiàn)場實際的土石壩堤壩工程,開展了在水位為設計蓄水水位條件下,壩體內水流滲流運動過程的特點研究,研究中,主要通過數(shù)值模擬方法,對其水流的向下游的滲流過程進行模擬計算,用到了Geo-studio 軟件中的SEEP 模塊。

2 工程概況

某水庫大壩控制徑流面積50 km2。水庫原設計總庫容約300×104m3,其中防洪庫容25×104m3,興利庫容275×104m3。水庫排灌干渠渠道全長11.49 km,灌區(qū)對水資源的需求量隨經(jīng)濟的不斷發(fā)展、人民生活水平的提高呈日趨增大的趨勢,與現(xiàn)供水能力之間的矛盾更加突出。工程的長期穩(wěn)定對于灌區(qū)用水的穩(wěn)定供應十分關鍵,堤壩截面設計形式如見圖1,修筑堤壩時,主要通過對碎石土進行逐層壓實作業(yè)來完成該堤壩工程的修建,組成碎石土的材料主要有：粘土、卵石、砂土、尖棱角碎石,顆粒級配良好,構成碎石土的各類材料的各項物理力學參數(shù)如見表1。

表1 土石壩材料物理力學參數(shù)

圖1 堤壩橫斷面圖

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

Seep 模塊是專門用于水流滲流分析的一個模塊,在Geostudio 軟件中內置,其中有關水流及其他各種流體的特性,在軟件中有各種方法進行設置,最重要的方式是采用軟件自帶的估算功能對其進行估算后,根據(jù)試驗獲得的數(shù)據(jù)進行調整,本文即是采用該種方法,經(jīng)過設置后使其特性與自然條件下水流的流體特性極為近似,以使后續(xù)的分析計算更加精確,隨后設置堤壩材料的相關物理及力學性質,這主要通過輸入材料功能來實現(xiàn),根據(jù)上文表1中的材料參數(shù),設置材料屬性,最后賦值給對應區(qū)域。

根據(jù)圖1中的堤壩截面形式,設計相應的堤壩計算模型,該堤壩被構建成與圖1一樣的直角梯形截面,見圖2,右側為蓄水水庫,堤壩的梯形直角邊與水庫中的水接觸,堤壩壩基底寬18 m,9 m 的頂寬9 m,高12 m,壩基梯形截面的自身慣性矩（IY和IZ）大小為9.58×1015m4,安全系數(shù)設計為1.5。

圖2 計算蓄水水庫壩體滲流模型

3.2 滲流特征及總水頭變化

經(jīng)過數(shù)值模擬計算,完成后的滲流結果圖見圖3?？偹^隨著X 大小的變化過程圖見圖4。

圖3 數(shù)值計算的滲流結果圖

圖4 水流總水頭隨X（距離）的變化圖

對于滲流過程,最重要的參數(shù)表現(xiàn)特征即為壩體內總水頭的分布變化特點,見圖3,為最終計算完成后壩體內總水頭的梯度云圖,由圖中可以看出,從右側開始,總水頭向左側變化,逐漸變小,右側的總水頭為10 m,左側最小總水頭為0 m,這說明壩體發(fā)揮了蓄水作用,水頭梯度變化逐漸增大,右側水頭變化緩慢,左側水頭變化加速,說明越往左側,壩體材料的對上游水流的阻礙作用越強。壩體內的總水頭呈現(xiàn)出由右上向左下的變化趨勢,右上總水頭最大,左下端總水頭最小。

圖4所示為水流在壩體內的總水頭隨著逐漸遠離源頭水體的變化趨勢圖,由圖可知,水流的總水頭整體呈現(xiàn)出正弦曲線的形式,X=10 m 和X=22 m 處為正弦曲線的拐點也就是極值點,上游總水頭約為9.6 m,隨著X 的增大先逐漸變小,減小到X=10 m位置處的9.2 m,接著隨著X的增大又逐漸增大,達到X=22 m 處的9.85 m 總水頭后不再上升,而又逐漸減小,最終減小至值約為9.4 m 的總水頭值。

4 結論

本文通過數(shù)值模擬手段,對重力式土石壩設計的安全性和穩(wěn)定性進行了計算分析,主要獲得以下結論：

（1）壩體內的總水頭呈現(xiàn)出由右上向左下的變化趨勢,右上總水頭最大,約為10 m,左下端總水頭最小,值為0 m。

（2）隨著逐漸遠離源頭水體,在同一高度（蓄水水位的同一深度）處,水流的總水頭整體呈現(xiàn)出正弦曲線的形式。

（3）經(jīng)過計算,該壩體設計斷面形式合理,起到了良好的蓄水作用,可為類似工程提供參考。