・ｌ１４・ 价值工程 心墙材料各向异性对心墙坝渗流场的影响分析 Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｃｏｒｅ Ｗａｌｌ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｏｎ Ｃｏｒｅ Ｗａｌｌ Ｄａｍ Ｓｅｅｐａｇｅ Ｆｉｅｌｄ 侯文萃ＨＯＵ Ｗｅｎ—ｃｕｉ （吕梁学院建筑系，吕梁０３３０００） （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｌｖｌｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌｖｌｉａｎｇ ０３３０００，Ｃｈｉｎａ） 摘要：土石坝防渗功能的优劣主要取决于坝体材料的防渗系数。心墙坝中心墙是坝体的防渗部分，它对坝的渗透稳定起着至关 重要的作用 本文结合工程实例，利用岩土工程专用软件ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ建立了某心墙坝的平面有限元模型，考虑非饱和区的影响，在心 墙材料各向异性的情况下，分别对其进行稳定一非稳定渗流有限元分析，探讨了渗流场的分布情况以及浸润线的变化规律。计算结果 表明：由于非饱和区的存在及心墙材料的各向异性，心墙单宽渗流量和心墙下游逸出高度均增大；在非稳定渗流下，自由面变化比较 明显，这些结论可以为以后的大坝结构设计以及施工提供一定的参考依据。 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｌｅａｋａｇｅ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｅａｒｔｈ ａｎｄ ｒｏｃｋｆｉｌｌ ｄａｍ ｍａｉｎｌｙ ｄｅｐｅｎｄｓ ｏｎ ｔｈｅ ｌｅａｋａｇｅ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｅｉｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｄａｍ ｂｏｄｙ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ ｗａｌｌ ｏｆ ｃｏｒｅ ｗａｌｌ ｄａｍ ｉｓ ｔｈｅ ｓｅｅｐａｇｅ—ｐｒｏｏｆｉｎｇ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｄａｍ，ｗｈｉｃｈ ｐｌａｙｓ ａ ｖｉｔａｌ ｒｏｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｅｅｐａｇｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄａｍ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒｏｊｅｃｔｓ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｕｓｅｓ ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉａｌ ｓｏｔｆｗａｒｅ ｏｆ ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｔｏ ｂｕｉｌｄ ｔｈｅ ｐｌａｎｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａ ｃｏｒｅ ｗａｌｌ ｄａｍ．ｃｏｎｓｉｄｅｒｓ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｎ—ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｒｅｇｉｏｎ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｓｔａｂｌｅ—ｕｎｓｔｅａｄｙ ｓｅｅｐａｇｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ－ｉｆ ｔｈｅ ｄａｍ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｗａｌｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｅｐａｇｅ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｒｕｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｅｐａｇｅ ｌｉｎｅ．Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｗａｌｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｎ ｔｈｅ ｎｏｎ— ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｒｅｇｉｏｎ，ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ—ｗｉｄｔｈ ｓｅｅｐａｇｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｗａｌｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｓｃａｐｅ ｈｅｉｇｈｔ ｉｎ ｔｈｅ ｂａｃｋｗａｒｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｗａｌｌ ａｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ，ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ ｆｒｅｅ ｓｕｒｆａｃｅ ａｒｅ ｍｏｒｅ ｏｂｖｉｏｕｓ ｉｎ ｕｎｓｔｅａｄｙ ｓｅｅｐａｇｅ．Ｔｈｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｓｏｍｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄａｍ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ． 关键词：心墙坝；自由面；渗流场；非饱和区 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｒｅ ｗａｌｌ ｄａｍ；ｆｒｅｅ ｓｕｒｆａｃｅ；ｓｅｅｐａｇｅ ｆｉｅｌｄ；ｎｏｎ—ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｒｅｇｉｏｎ 中图分类号：ＴＶ２２３．４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—４３１１（２０１５）１１－０ｌ１４—０４ ０引言 防渗功能的心墙坝，它的防渗作用对于维护大坝稳定运行 防渗功能是土石坝的主要应用功能之一。建造土石坝 至关重要。由于在筑坝过程中土石料是分层压实的，水平 时，坝体材料的防渗参数直接决定了其防渗效果是否达 向和竖直向的渗透系数Ｋ和Ｋ 实际上是不相同的，所以 标。良好的防渗功能有利于维护坝体的稳定性Ｉ１ｌ。作为具有 应该考虑材料的各向异性的影Ⅱ向。在水利工程中，材料各向 作者简介：侯文萃（１９８４一），女，山西忻州人，助教，硕士研究生，研 异性对渗流场的影响愈来愈受到关注，各向异性材料的土 究方向为环境岩土工程。 坝会带来坝体内水头压力、浸润线抬高，坝下游出逸坡降增 表４第１跨跨中实测应变与理论计算应变比较（ ￡） 表５第４跨跨中实测应变与理论计算应变比较（ ￡） ＼、＼ 工况 实测值 理论值 实测值／理论值 测点享、、、 工况 实测值 理论值 实测值／理论值 测点号、＼ １ １８９ １７２ １．１Ｏ １ １０９ １０３ １．０６ ２ １８７ １８７ １．０ｏ ２ １００ １１２ Ｏ．８９ ３ １５１ １６８ ０．９０ ３ ９０ ９６ ０．９４ ４ １０２ １３８ ０．７４ ４ ７９ ８６ ０．９２ ５ ９６ １１５ Ｏ．８３ ５ ８ｌ ７７ １．０５ ６ ３１ ６３ ０．４９ ６ ２９ ５２ Ｏ．５６ ３静载试验结果评价 由表４可知，第１跨跨中最大应变为１号测点， 实测该桥跨中最大挠度小于理论计算值，最大应变与 １０９￣ｅ，采用桥梁有限元分析软件，试验荷载作用下的理 理论计算值接近，但残余应变较大，检测指标基本满足《试 论计算应变为１０３￣ｅ，实测值与理论值的比值为１．Ｏ６；表 验方法》和《设计规范》的要求，静力工作性能相对正常。该 ４中，跨中最大应变也为１号测点，１８９￣ｅ，理论计算应变 桥上部结构承载能力满足公路一ＩＩ级、人群荷载３．５ｋＮ／ｍ２ 为１７２￣ｅ，实测值与理论值的比值为１．１０。各测点实测应 的设计荷载等级要求。 变平均值与理论计算应变平均值均满足《试验方法》对试 参考文献： 验测量结果要求。 ［１］龙驭球，包世华．结构力学教程［Ｍ］．北京：高等教育出版社． 表５中残余应变相对较大的测点分别为２号 ［２１２Ｅ娴明建筑结构试验［Ｍ］．北京：清华大学出版社，１９９１． （２１ｌｘｅ）、４号（１８１ｘｅ】，对应的应变为１００１ｘｅ、７９１ｘｅ，相对残 【３】汪斌，陈志忠，蔡敏．钢筋混凝土拱桥静载试验及仿真分析 余应变为０．２１、０．２３；表５中残余应变相对较大的测点分 『Ｊ１．工程与建设，２００６，２０（３）：１８１—１８２． ｆ４１范立础．桥梁工程［Ｍ】．北京：人民交通出版社． 别为１号（３９１ｘｅ）、４号（１９ｐ￣ｅ），对应的应变为１８９￣ｅ、 【５］ｔ￣ｌｆ惠，张亚军．无梁板桥［Ｍ】．北京：人民交通出版社． １０２￣ｅ，相对残余应变为０．２１、０．１９，满足《试验方法》对试 ［６】胡大琳．桥涵工程试验检测技术【Ｍ】．北京：人民交通出版 验测量结果要求。 社，２０００． Ｖａｌｕｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ・１ｌ５・ 大等一系列现象，相对于各向同性材料对渗流场的危害更 表１坝体材料参数 加明显１２－３］，说明心墙坝渗流分析中，对其防渗体心墙考虑各 渗透系数／（ｍ・ｄ ） 向异性，对于保证大坝的安全运行意义重大。 坝料名称 砭 近年来由于计算机技术的迅猛发展，使得数值计算在 大坝的渗流分析中起的作用越来越明显，计算模型及数值 上下游坝壳料 ８．６４ ８．６４ 计算方法的选取直接关系到计算结果的准确性。本文采用 心墙料 ６．０５￣１０ ６．０５￣１０－２ 岩土工程专用软件ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ计算了心墙坝非饱和区渗 上下游覆盖层 ５１．８４ ５１．８４ 流，更重要的是考虑了心墙材料各向异性对坝体渗流场的 影响，为以后同类工程的建设提供一定的参考资料［４１。 表２工况计算表 １工程概况 工况编号 渗透系数／（ｍ・ｄ ） 下降速度ｗ 某粘土心墙土石坝的设计坝顶高程为３２７．５０ｍ，坝顶宽 上下游坝壳 心墙 上下游覆盖层 （ｍ・ ） １ Ｋ ＝ ０．１ ６．Ｏ０ｍ，设计最大坝高４８．ＯＯｍ上游坝坡高程３２７．５０ｍ～ ２ Ｋｘ＝ ０．５ ３１２．５０ｍ之间为１：１．８，３１２．５０ｍ～２９７．５０ｍ之间为１： ３ Ｋ＝Ｋ １．Ｏ １．９，２９７．５０ｍ以下为１：２．０：下游坝坡高程３２７．５０ｍ一３１２．５０ｍ ４ Ｋ ：４Ｋ ０．１ 之间为１：１．７５，３１２．５０ｍ￣２９７．５０ｍ之间为１：１．８，２９７．５ｍ以下 ５ Ｋ：Ｋｖ Ｋｘ＝４Ｋｒ Ｋ ＝Ｋ Ｏ．５ 为１：１．９。上下游坝坡在３１２．５０ｍ、２９７．５０ｍ上均设置２．００ｍ ６ Ｋｌ＝４Ｋ １．０ ７ Ｋ＝８ Ｏ．１ 宽的马道。心墙项高程３２５．７０ｍ，宽３．００ｍ，心墙上下游坝坡 ８ Ｋ ＝８Ｋ ０．５ 均为１：０．３。大坝采用开挖截水槽回填粘土垂直防渗方案。 ９ ｋ＝８Ｋｖ １．Ｏ ２有限元模型的建立 表３非稳定渗流计算时步表 计算模型选取大坝的最大横断面，计算简图如图１所 时间增ｍ／ｄ 肖逝时间，ｄ 示。忽略上下游反滤层、上游坝坡及下游坝坡，计算模型坐 时步 —— Ｖ＝０．１ Ｖ－－－０．５ Ｖ＝１．０ Ｖ＝Ｏ．１ Ｖ＝Ｏ．５ Ｖ＝１．０ 标分别为ｘ轴顺河向指向下游为正，Ｙ轴沿坝高铅直向上 １ ２０ ４ ２ ２０ ４ ２ 为正；计算的范围为：以上、下游坝锺为起点，分别向上，下 ２ ２Ｏ ４ ２ ４０ ８ ４ 游各取２０ｍ，坝基向下取４ｍ至相对不透水层；边界条件为： ３ ２０ ４ ２ ６０ １２ ６ ＡＢＣＤ边，Ｈ－－４８．３５ｍ，ＡＢ，ＤＥ，ＧＨＡ为第二类边界，ｑ＝０，ＥＦ ４ ２Ｏ ４ ２ ８０ １６ ８ 为假定逸出边界。整个模型划分５５９３个节点，５４２０个单元。 ５ ２ｏ ４ ２ １００ ２Ｏ ｌＯ ６ ２０ ４ ２ １２Ｏ ２４ １２ ３心墙坝饱和一非饱和渗流计算 ７ ２０ ４ ２ １４０ ２８ １４ ３．１计算参数和工况的选取考虑心墙材料渗透系数 ８ ４０ ８ ４ ｌ８０ ３６ １８ 的各向异性，计算典型断面水位为正常蓄水位时坝体稳定 ９ ４０ ８ ４ ２２０ ４４ ２２ 渗流及上游水位从正常蓄水位４８．３５ｍ降至死水位 １Ｏ ８Ｏ １６ ８ ３００ ６０ ３０ １１ ８Ｏ １６ ８ ３８０ ７６ ３８ ２６．３０ｍ，下游水位不变的非稳定渗流，并且研究心墙渗透 １２ １６Ｏ ３２ １６ ５４０ １Ｏ８ ５４ 系数各向异性，不同水位下降速度下坝体浸润线的变化规 ｌ３ １６０ ３２ １６ ７００ １４０ ７０ 律。坝体材料参数见表ｌ，其工况组合见表２～３。 １４ ３２０ ４６ ３２ １０２０ ２０４ １Ｏ２ ３＿２稳定渗流计算成果分析图２—４显示了不同工况 １５ ３２０ ６４ ３２ １３４０ ２６８ １３４ 下总水头等值线图，从图中可以看出：由于非饱和区的存 表４稳定渗流下心墙计算结果 在，等势线从饱和区越过浸润线延伸到非饱和区；随着心 心墙渗透系数 逸出高度Ｙ／ｍ 水平渗透坡降 渗流量Ｑ，（ｍ３・ｄ ） 墙水平渗透系数Ｋ 和垂直渗透系数Ｋｖ比值的增大，更多 Ｋ ＝ ５．４６ ０．８７５ ３．７３５７ 的水向下游渗流，负压区随之减小，等势线向下游移动。 Ｋ ４Ｋ ５．６７ ０．８２８ ３．７９０３ 经计算得出心墙下游坡逸出高度、水平渗透坡降、渗 Ｋ￣－－８ｋ ５．７ｌ ０．８０４ ３．８８８５ 流量变化特征如表４所示。 （图中的数字为时步数），浸润线随着库水位的下降而下降， 由表４可得出：随着水平渗透系数和垂直渗透系数比 且心墙上游坝壳浸润线下降相对平缓，几乎和库水位下降 值的增大，心墙下游逸出点抬高，渗流量有所增大，这些特 同步，下游坝壳浸润线几乎与下游水位持平；心墙内自由面 征说明心墙材料的各向异性对渗流场的影响较大。 下降较坝壳陡且向下弯曲，各种工况－Ｆ，Ｇ，墙内自由面变化 ３．３非稳定渗流计算成果分析从图５～１３可以看出 非常相似。在不考虑心墙材料各向异性的情况下，心墙内水 自由面形状较陡。当上游水位以相同的速 ｛ 由面随着心墙水平渗透系数的增大，逐渐 ｛咂 野 这表明心墙内孔隙水压力已快速消散。当 心墙水平渗透系数与垂直平渗透系数之 比Ｋ／Ｋ，不变时，自由面在其加速下降的 过程中，下降速度逐渐降低，其形状也变 Ｘ坝宽／ｍ Ｉ堆石料２粘土３砂砾石４粘土 得平缓，自由面从变化起，需要一段较长 图１心墙坝计算断面图 的时间才能恢复稳定。
