Study on Seepage Stability of Earth Rock Dam and Its Control Method
汪超盛 WANG Chao-sheng
（三峡大学土木与建筑学院，宜昌 443002）
（College of Civil Engineering & Architecture，China Three Gorges University，Yichang 443002，China）
摘要：土石坝渗流机理和渗控措施是研究土石坝渗流的重要课题。从土石坝渗流机理，土石坝渗流数值计算，土石坝渗流实验研究以及土石坝渗流控制四个方面总结了我国的研究现状和成果，认为今后的研究应该着眼于寻求一种统一的、符合实际情况的、综合考虑各种必要因素的研究方法。
Abstract: The seepage mechanism and seepage control measures of earth-rock dams are important topics for studying seepage of earth-rock dams. From the seepage mechanism of earth-rock dams, numerical calculation of seepage flow of earth-rock dams, experimental study of seepage of earth-rock dams and seepage control of earth-rock dams, the research status and achievements of China are summarized. It is believed that future research should focus on seeking a unified and realistic research method which can take into account various necessary factors.
关键词：土石坝；渗流机理；数值计算；实验研究
Key words: earth rock dam；percolation mechanism；numerical calculation；experimental research
中图分类号：TV139.14 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）34-0257-03
0 引言
渗流学科的发展是基于各个相关学科而向前发展的，涉及到很多学科的边缘学科，比如岩土力学、水力学、地下水动力学等，在广泛的应用中，逐渐发展成为一门独立的学科。
建国以来，由于土石坝构造简单、运行管理方便，适应地基变形的能力强等特点，被广泛运用，特别是随着渗流技术的不断提高，土石坝的筑坝技术得到了迅速的发展。土石坝渗流数值模拟方法层出不穷[1]。然而，根据国内外相关统计数据[2]，由于渗透破坏而导致土石坝失事的概率，中国是29%（2391座），可见研究土石坝的渗流稳定意义重大。基于此，本文阐述了土石坝渗流的机理，梳理了现有的土石坝渗流数值计算与实验研究成果，总结了土石坝渗控措施，以期为我国土石坝渗流理论的研究提供参考。
1 土石坝渗流机理研究
土石坝渗流问题较为复杂，影响因素也比较多。关于土石坝的渗流机理，国内的学者做了许多有益的探讨。归根结底来说，土石坝的渗流机理主要是针对渗流量计算、渗透变形[3]来说的。
1.1 渗流量计算
一般来说，土石坝的坝身比较长，地基的透水性有时也会比较大，当渗流量过大，极易使得渗流速度在局部区域产生集中冲刷，因此，土石坝的渗流量的大小就可能成为坝型以及防渗、排渗方案的决定性因素。
目前，计算土石坝的方法主要有流体力学发、水力学法、流网法、试验法、数值计算法等。流体力学法只有在边界条件简单的情况下才有解，而且计算繁琐，工程上较少采用。而水力学法是一种近似的解析法，计算简单，能够满足工程精度的要求，在过去一直被广泛采用。流网法是一种简单的方法，它能够求解渗流场内任一点的渗流要素，但对不同土质和渗透系数相差较大的情况难以采用。而最近随着计算机的快速发展，数值解法在渗流分析中得到了广泛的运用，对于复杂和重要的工程，往往采用的是数值计算的方法来分析和求解。不仅快捷方便，而且计算精度也较高。
1.2 渗透变形
土石坝的渗透变形是坝身及坝基中的渗流，由于物理或化学的作用，导致土颗粒流失，土壤发生局部破坏。一般渗透变形与土料的性质、土粒的级配、水流条件以及防渗、排水措施等因素有关，一般有管涌、流土、接触冲刷和接触流失等类型[4]。
对于渗透变形的型式的判别，国内外各大水利科研机构提出了不完全相同的判别方法[5]：苏联的伊斯托明娜根据实验，以土壤的不均匀系数η（η=d60/d10）作为判别渗透变形的依据，认为η?燮10的土体容易产生流土；η?叟20的土容易产生管涌；当10?燮η?燮20时，可能是流土也可能是管涌。北京水科院研究院刘杰提出了根据细颗粒含量的判别方法，以土中细颗粒含量（粒径d?燮2mm）Pz作为判断渗透变形的依据。当土壤中细颗粒含量Pz?叟35%时，孔隙填充饱满，容易产生流土；对缺乏中间粒径的沙砾料，当25%?燮Pz?燮35%时，可能产生管涌，可能产生流土。而南京水科院给出了如下的判别公式：Pz=α■/（1+■）。其中，α为修正系数，取0.95~1.0，n为土壤的孔隙率，Pz为粒径不大于2mm细粒临界含量。
对于管涌临界水力坡降的成果很多，但是没有形成完全成熟的结论。根据南京水科院的实验研究，当渗流方向由下而上时，非粘性土发送管涌的临界坡降可按以下经验公式推算：Jc=42d3/■。其中d3为相对于粒径曲线上含量为3%的粒径；k为渗透系数，n为土壤的孔隙率。当渗流自下而上发生时，常采用由极限平衡理论所得的太沙基公式计算：Jc=（G-1）（1-n）。其中，G为土粒的比重，n为土粒的孔隙率。沙金煊[6]提出了管涌的临界坡降公式：Jc=（γs/γw-1）（1-n）αd/dΘk。其中，γs为土粒容重，α为考虑土体颗粒为非球形而产生的形状系数，一般为对砂砾为1.16~1.17，对锐角颗粒为1.50~1.67；流土的临界坡降公式为JB=（γs/γw-1）（1-n）α。吴良骥研究了无粘性土管涌临界水力坡降表达式为JKP=[（γs-γw）/γw]d1/（d1+εdsK）。其中，dsK为土体颗粒的等效粒径，dsK=1/∑p1/d1，p1为d1粒径的颗粒含量，ε为土体的孔隙比；水平管涌的计算公式为：JKp=tanΦ[（γs-γw）/γ]d1/（d1+εdsK），其中，?准为土体的内摩擦角。而毛昶熙，段祥宝等基于渗流力推导了临界水力坡降公式：Jc=6[（1-n）（s-1）dsK/DsK]2.5，式中，dsK，DsK为细粒填料与整个土料的等效粒径，算法为1/∑pi/di，并进行了大量实验的验证，实验表明是比较可信的。
2 土石坝渗流数值计算
目前土石坝渗流计算的数值方法主要有三种:即有限差分法，有限单元法和边界元法。有限差分法是将定解区域离散为合理分布的区域，并将微商用相应的差商来代替。其算法简易方便，但对于不规则边界以及非均匀渗透介质较难模拟；有限单元法将渗流计算域划分为有限个互不重叠的单元，分别估计每个单元的插值函数，将微分方程中的水头函数表达式代换为由较为简单的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助变分原理对其求解，有限元法能够针对不规则边界条件以及非均匀渗透介质渗流问题进行模拟分析；边界元法将区域积分转化为边界积分，与有限元法相比，边界元法便于处理无限或半无限渗透介质介质奇异和自由面的问题。
在土石坝渗流数值模拟方面，各类商业软件以及各个科研机构开发的程序层出不穷。南京科学院开发了土坝渗流计算程序UNSST2，饱和-非饱和渗流计算程序UNSAT2，加拿大GEO-SLOPE国际开发有限公司开发的Geo-studio软件中的Seep/w模块，运用ANSYS的二次开发工具APDL语言编写渗流计算命令流程序，以及Abaqus及其二次开发小程序等等。
目前土石坝渗流主要是采用有限元法，运用各类有限元软件进行计算分析。赵舒心，许成顺等运用Geo-studio软件，并引入等效渗透系数计算模型，对混凝土防渗墙深度对渗流量和稳定安全系数的影响进行了分析；刘福益，费文平等通过ANSYS二次开发，运用渗透系数调整法，实现了基于ANSYS的热分析模块对心墙堆石坝进行渗流稳定分析的功能；陈勇，汤用泉利用Abaqus软件，以饱和-非饱和渗流理论为基础，模拟了库水位下降作用下无基坑振冲加密施工的土石坝渗流场，并对各级水位下的孔压，流速以及流向进行分析，评价了大坝的渗流安全。张爱军, 骆亚生等利用UnderFlow-3d对黑河引水工程金盆枢纽区1.2km×1.2km范围内的三向渗流数值计算，指出土石坝的渗流研究不应该只局限于坝体区域,而应该将坝体、坝肩以及一定范围内的库区按整体一并研究才能得到符合实际的结果。
3 土石坝渗流实验研究
土石坝渗透实验主要是对土石坝筑坝材料渗透系数的精确模拟。渗透系数是土石坝渗流计算的一个重要的参数，渗透系数的大小直接决定了渗流量的大小以及采取的渗控措施。目前，根据《土工试验规程》SL-237-1999中的《粗粒土的渗透及渗透变形试验》SL237-056-1999的规定,试验模型截面直径或边长应该不小于试样粒径特征值D85的4～6倍。然而实际工程中的土石坝筑坝材料所用到的巨粒土，直径远远大于实验室常用的测定土体渗透系数的仪器，因而无法精确测量巨粒土发生渗透破坏时的临界水力梯度以及水平向的渗透系数。并且，渗透系数的测试方法不同，其测量值相差比较大。
对于巨粒土的渗透特性测量，河海大学岩土工程研究所张福海，王保田[7]等研制了粗颗粒土渗透系数及土体渗透变形测试仪，根据巨粒混合土中含有细粒土致使土体难以饱和的特点，在仪器上设置了密封抽气饱和装置，可以对土样进行抽气饱和，与工程实践切合较好；马凌云，李春林等在充分考虑节能环保和职业安全的前提下，采用组合式渗透仪、恒压供水系统、水循环系统以及大量程、高精度的测压系统，对原有渗透特性试验设备系统进行了优化和改进，满足了高坝粗粒土渗透特性试验的要求。
对于渗透系数的测量，国内许多学者和科研机构也开发了相应的仪器设备。邹玉华，陈群[8]等利用自行研制的可提供高水压、高应力的粗粒土大型高压渗透仪，研究了不同应力状态下防渗料和反滤料的渗透变形特性；姜顺龙， 王凯采用试坑单环注水、试坑直接注水和室内粗粒土常水头渗透方法进行坝壳料的渗透系数测定，研究表明，试坑直接注水法适用于适用于渗透系数较大的坝壳料（1×10-1～1×10-3cm/s），试坑单环注水法适用于渗透系数稍小的土料（?燮1×10-2cm/s），而室内常水头法适用于各类坝壳料的渗透材料；雷红军，孙逊等在三轴剪切仪的基础上改造底座及顶帽，并增加三向渗透管路系统，研制了三轴多向渗透试验装置，可以实现土样剪切过程中3个方向中任意一个方向的渗透，测定试样在不同应力应变状态下3个方向的渗透系数，用以揭示饱和土发生大剪切变形过程中的渗透特性变化规律。
4 土石坝的渗流控制
根据大量的工程经验以及国内外学者的研究，土石坝渗流问题主要体现在坝体渗流、坝基渗流和绕坝渗流这三个方面，而所采取的的工程措施也是根据土石坝不同的地形地质条件来决定的。而相应的措施也有水平防渗，垂直防渗以及排水减压。随着人们对土石坝渗流机理的研究不断深入以及大型商业软件的开发，对于重大的土石坝渗流问题，往往是依靠数值分析的方法计算来确定的，这样比以往依靠经验公式计算更加符合实际。
耿计计，王瑞骏[9]等通过水力学法与三维有限元法的比较研究，发现有限元法避免了某些人为的假定，且计算模型更为接近实际，因此其计算结果更为合理，并对该工程垂直防渗墙的长度进行了敏感性研究，得出了坝肩混凝土防渗墙的延伸长度与绕坝渗流特性的改善呈正相关性的结论；燕峒胜利用有限元法研究了纯化水库垂直塑铺和坝体铺设复合土工膜与坝基垂直铺塑联合防渗两个方案，从防渗效果和经济性的角度评价了两个方案的可行性；吕海东，王瑞骏[10]等研究了深厚砂层坝肩绕坝渗流防渗墙延伸长度方案的比较，发现了深厚砂层坝肩的绕坝渗流主要发生在砂层内，且随着防渗墙延伸长度的增加，砂层及左坝肩整体的绕坝渗流量均逐步减小的规律。
土石坝渗流控制的数值计算不仅简单方便，而且能够进行多方案的渗控效果和经济可行性比较，因而在实际工程中被大量采用。
5 展望
对于土石坝的渗流机理、数值分析及实验，我国在工程实践以及大量的研究中已经取得了丰硕的成果。对于土石坝临界水力梯度的判断，已经加入了土体粒径这一影响因素，使得实验做出的结果更加符合工程实际；对于粗粒土的水平向渗透系数以及临界水力坡度的测定，国内已经有大量学者在研究，并且已经有了一定的实验成果；对于土体渗透系数的定性测量，已经开始向尽可能模拟其在有围压和不同水头作用下的方向发展，使得所测量的渗透系数更加切合工程背景。
然而，我们要认识到，现有的实验研究成果没有一个准确的、定性的结论，许多实际复杂的、大型的土石坝渗流问题仍然需要多种方法的联合对比，并且结合模型实验的方法来加以验证，对于类似问题的研究，还是需要花费很大的人力、物力以及财力。
为此，今后的研究工作应该针对一种符合实际情况的，综合考虑各种必要因素的土石坝渗流理论，并且建立相应的数值计算方法。
参考文献：
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