基于非饱和渗流理论的土石坝渗流分析

第３２卷第５期　西华大学学报（自然科学版）　２０１３年９月　Ｖｏ１．３２，Ｎｏ．５　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｘｉｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ・Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｓｅｐ．２０１３　・能源与环境・　基于非饱和渗流理论的土石坝渗流分析　刘晓庆，施浩然　（西华大学能源与环境学院，四川成都６１００３９）　摘要：针对考虑土壤非饱和区且设有排渗系统对水库渗流影响研究不足的问题，结合工程实际，采用非饱和　渗流分析方法，对设有集水廊道的土石坝渗流进行研究。结果表明：土壤非饱和区的存在导致大坝单宽流量增大，　浸润线抬升；考虑非饱和渗流的影响研究渗流问题更符合工程实际情况，弥补了饱和渗流研究存在的不足，丰富了　已有的渗流研究成果；此外，采用设置集水廊道的排水措施能够有效地降低坝内和下游河床浸润线，减少下游浸没　区范围，有利于大坝整体抗滑稳定和后期安全运行。　关键词：渗流分析；非饱和渗流理论；土石坝；集水廊道　中图分类号：ＴＶ１３９．１４　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７３—１５９Ｘ（２０１３）０５—００８７—０５　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３—１５９Ｘ．２０１３．０５．０２２　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｅａｒｔｈ－ｒｏｃｋ　Ｆｉｌｌ　Ｄａｍｓ　Ｓｅｅｐａｇｅ　Ｆｉｅｌｄ　Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　Ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ　Ｓｏｉｌｓ　ＬＩＵ　Ｘｉａｏ—ｑｉｎｇ，ＳＨＩ　Ｈａｏ—ｒａｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，Ｘｉｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００３９　Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔ　ｐｒｅｓ—ｅｎｔ，ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｄｒａｉｎａｇｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｎ　ｓａｔｕｒａｔｅｄ—ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ　ｓｅｅｐａｇｅ　ｉｓ　ｌｉｔｔｌｅ　ｉｎｖｅｓｕｇａｔｅｄ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ　ｓｏｉｌ　ｉｎ　ａ　ｄａｍ．Ｉｎ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｓｔｕｄｙ，ｔｈｅ　ａｉｍ　ｉｓ　ｔｏ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｏｆ　ｓｅｅｐａｇｅ　ｆｉｅｌｄ　ｉｎ　ｅａｒｔｈ—ｒｏｃｋ　ｆｉｌｌ　ｄａｍ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｏｌｌｅｃ—　ｔｉｏｎ　ｇａｌｌｅｒｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｓａｔｕｒａｔｅ—ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ　ｔｈｅｏｒｙ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｏｆ　ｓｅｅｐａｇｅ　ｐｅｒ　ｕｎｉｔ　ｗｉｄｔｈ　ａｎｄ　ｐｈｒｅａｔｉｃ　ｌｉｎｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｏｗｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ　ｓｏｉｌ．Ｔｈｅ　ｓａｔｕｒａｔｅ—ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ　ｔｈｅｏｒｙ　ｗｈｉｃｈ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｓｅｅｐａｇｅ　ｆｉｅｌｄ　ｉｎ　ｅａｒｔｈ—ｒｏｃｋ　ｆｉｌｌ　ｄａｍ　ｗａｓ　ｍｏｒｅ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｔｈａｎ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ｓａｔｕｒａｔｅｄ　ｔｈｅｏｒｙ．Ｉｔ　ｍａｄｅ　ｕｐ　ｅｖｅｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｈａｒｓｈｎｅｓｓ　ｏｆ　ｓａｔｕｒａｔｅｄ　ｓｅｅｐａｇｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　ｅｎｒｉｃｈｅｄ　ｉｔｓ　ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ　ｇａｌｌｅｒｙ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｓｅｅｐａｇｅ　ｇｒａｄｉｅｎｔ　ａｎｄ　ｃｏｕｌｄ　ｌｅａｄ　ｔｏ　ｓｅｅｐａｇｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｉｎ　ｓｏｍｅ　ｌｏｃａｌ　ｒｅｇｉｏｎ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ　ｇａｌｌｅｒｙ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｐｈｒｅａｔｉｃ　ｌｉｎｅ　ｉｎ　ａ　ｄａｍ　ａｎｄ　ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ　ｒｉｖｅｒｂｅｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄａｍ．Ｉｔ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ　ｓｕｂｍｅｒｇｅ　ａｒｅａｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄａｍ　ａｎｄ　ｃｏｕｌｄ　ｈｅｌｐ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ａｎｔｉ－ｓｌｉｄｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｓａｆｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄａｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｅｅｐａｇｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｓａｔｕｒａｔｅ—ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ　ｔｈｅｏｒｙ；ｅａｒｔｈ—ｒｏｃｋ　ｆｉＵ　ｄａｍ；ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ　ｇａｌｌｅｒｙ　水库渗漏控制的好坏直接影响水库工程设计　流来计算，其结果与实际差别较大。此外，以往的　的经济性和水库运行的安全性。长期以来，科技工　研究主要是关于防渗结构对渗流场影响　Ｊ，在考　作者开展了大量的渗流研究工作，并取得了一定的　虑非饱和区且设有排渗系统对水库渗流影响的研　成果，但这些研究大多围绕饱和渗流展开＿】Ｉ２　Ｊ。由　究仍存在不足。为此，本文结合工程实际，并基于　于缺乏对非饱和土性状的认识，在进行渗流分析计　非饱和渗流理论，对具有排水系统的土石坝渗流展　算时往往把土的非饱和状态按饱和状态来考虑，忽　开研究，研究成果对于土石坝的合理设计、坝坡的　略了土的非饱和特性对渗流的影响，直接按饱和渗　有效防护以及预测坝下浸害均具有重要意义。　收稿日期：２０１３－０３—１５　基金项目：西华大学校重点科研启动基金（Ｚ１１２０４１２）；西华大学流体及动力机械省部共建教育部重点实验室学术成果培育项目（ＳＢＺＤＰＹ　一１１—１０）。　作者简介：刘晓庆（１９８０一），男，讲师，博士，主要研究方向为水安全监控及健康诊断。　西华大学学报・自然科学版　１　非饱和渗流基本原理　４　］　（　）＋　（　，　）＝０　（４　在饱和渗流理论中，对于饱和土壤，水的重力　由以上式子可知非饱和土的渗透系数ｋ是关于　和压力引起土壤中水分的转移，自由面以下的区域　含水率　的函数。当已知材料的渗透系数函数　为渗流计算的饱和区域。而由于土壤中存在空隙，　（　）且边界条件确定时，根据以上方程可求出非饱　“毛细管作用”使得自由面以上的区域也存在渗流，　和土渗流场。　形成非饱和区。以总水头ｈ作为未知量的非饱和土　渗流的基本微分方程为　２　工程实例　（　）＋　０（ｋＯｈ）＝　某水库大坝为碾压式均质土坝＿６一　，一期工程　ｙ　Ｏｔ　（１）　设计总库容１　５６０万ｍ　，设计水位高程１　１４５　ｍ，坝　式中：尼　、ｋ　分别为　和Ｙ方向上的渗透系数；　为　顶高程１　１４７　ＩＴＩ，最大坝高为Ｉ４．５　ｍ，坝轴线总长　体积含水率；ｈ为总水头；ｔ为时间。　４　１９９　ｍ。库区出露的地层岩性为壤土、粉质黏土、　令Ｙ为位置水头，则ｈ＝　＋ｙ，其中　表示负　粉细砂、角砾以第四系上更新统及全新统为主。库　ｙ　区地下水主要为第四系孔隙潜水，含水层为粉细砂　压力水头。　层，属强透水层。库区下部属强透水层，主要地质　若ｍ　为土一水特征曲线的斜率，则Ｏ０　＝　材料为粗细砂，在局部区域有角砾及中砂分布。　ｍ　Ｍ　：，ｎ　０（ｈ—Ｙ），由式（１）得　２．１计算模型　（　）＋　０（　Ｏｈ）＝ｍ　（　是常数）　计算模型所选剖面为大坝的最大横剖面，坝顶　宽８．０　ｍ，坝高１４．５／ｉ１，迎水坝面坡度１－３；背水面坡　（２）　即为　度１：２．５。材料分区如图１所示，筑坝材料分为壤　土和由壤土、砂砾和泥岩混合形成的砾石土。壤土　去（　）＋　０（ｋｚ　）＝ｍ　Ｏｈ　（３）　主要用于截渗槽和铺盖的填筑，坝体部位采用壤　土、砾石土填筑。坝后集水廊道位于大坝背水坡脚　当计算稳定渗流时　＝０，则　外１０　ｍ处，廊道净宽２　ｍ，净高３　ｍ。　粉细砂　壤土　角砾和细砂　图１材料分区图　模型计算范围：坐标原点选在模型沿着上游坝　围。模型垂直方向与水平方向的距离尺寸比例为　脚最左端的位置，上游面选取４００　ｍ，下游选取８５０　３：１，计算采用四边形单元，共计２万１　０７２个单元。　ｍ，地基取４０　ｍ深的计算区域作为模型的计算范　边界条件：本文计算水位为上游正常蓄水位，　第５期　刘晓庆，等：基于非饱和渗流理论的土石坝渗流分析　８９　下游无水。上游黏土铺盖、上游坝面及坝基向上游　延伸的长度为水头边界，下游面及坝基向下游延伸　的长度为可能逸出边界，坝基的左右两侧边界和底　部边界均设为不透水边界。　２．２计算参数与计算工况　ａ）计算参数：渗流计算材料参数见表１。　表１　渗流计算材料参数　ｂ）计算工况：　①上游正常蓄水位１　１４５　ｒｆｌ＋下游无集水廊道　（饱和状况下）；　④上游正常蓄水位１　１４５　ｍ＋下游有集水廊道　（非饱和状况下）。　②上游正常蓄水位１　１４５　ＩＴＩ＋下游有集水廊道　（饱和状况下）；　３　计算结果分析　考虑非饱和区和不考虑非饱和区的影响，通过　③上游正常蓄水位１　１４５　ｎａ＋下游无集水廊道　（非饱和状况下）；　计算分别得土石坝各区渗透坡降等值线分布，如　图２＿５所示，渗流计算结果见表２。　昌　ｌ　呈　ｌ　ｉ三重　萤一～＿＝二＝＝＝＝：三兰三ｊ三＝　兰　兰兰　兰三主要ｉ兰三　三一　．　二ｕ／　紊　ｆ　　ｆ萋　ｄ　暑　０　∽　（ａ）渗透坡降等值线图　昌　ｏ　（ｂ）截渗槽局部坡降图　（ｃ）溢出点（下游坝趾）局部坡降图　图２　非饱和工况下渗透坡降等值线图（无集水廊道）　西华大学学报・自然科学版　（ａ）渗透坡降等值线图　（ｂ）截渗槽局部坡降图　（Ｃ）溢出点局部坡降图　图３　非饱和工况下渗透坡降等值线图（有集水廊道）　（ａ）渗透坡降等值线图　（ｂ）截渗槽局部坡降图　（ｃ）溢出点（下游坝趾）局部坡降图　图４饱和工况下渗透坡降等值线图（无集水廊道）　２０１３焦　第５期　刘晓庆，等：基于非饱和渗流理论的土石坝渗流分析　９１　（ａ）渗透坡降等值线图　（ｂ）截渗槽局部坡降图　（ｃ）溢出点局部坡降图　图５　饱和工况下渗透坡降等值线图（有集水廊道）　由图２和图４可得，无集水廊道条件下，无论饱　最大坡降均发生在截渗槽与上游坡脚铺盖结合处　和渗流还是非饱和渗流计算，下游侧最大渗透坡降　附近，最大坡降分别为１．２（无集水廊道，见图２（ｂ）　都发生在坝趾附近，最大渗透坡降为０．９（见图２　和图４（ｂ））和１．３５（有集水廊道，见图３（ｂ）和图５　（ｃ）和图４（ｃ）），均小于壤土ｆ临界坡降１．０～１．２．不　（ｂ）），达到壤土临界坡降１．０～１．２，存在发生流土　会发生流土。如图３和图５所示，集水廊道排水降　的可能性，说明下游设置排水系统可能增大铺盖和　低下游浸润面位置，下游侧饱和与非饱和渗流计算　截渗槽的坡降，在土石坝设计过程中应注意防渗材　最大渗透坡降都发生在集水廊道底部附近和坝基　料的选取。此外，图中也可看出渗透坡降等值线分　壤土层（坝基下约３０　ｍ处），最大坡降值为０．５，超　布不均，主要集中在坝体上游铺盖和截渗槽，下游　过角砾土层ｌ临界坡降，可能会发生管涌，需加强集　坝趾附近以及坝基壤土层与细沙层之间，应注意避　水廊道与角砾层之间的防渗过滤设计。而上游侧　免细沙和角砾出现接触冲刷和接触流失。　表２　渗流计算结果　由表２可知，正常蓄水位条件下饱和渗流（无　（无集水廊道）日单宽流量为５．４７８　ｍ　／ｄ，非饱和渗　集水廊道）日单宽流量为５．４５３　ｍ　／ｄ，饱和渗流（有　流（有集水廊道）日单宽流量为６．２８１　ｎｌ　／ｄ；非饱和　集水廊道）日单宽流量为６．２７８　ｍ　／ｄ，非饱和渗流　（下转第１０３页）　第５期　曾朝懿，等：石墨炉原子吸收法测定液态乳中铬元素的不同消解方法探讨　１０３　４　结论　采用石墨炉原子吸收分光光度法测定液态乳中　的铬元素，探讨了２种不同的前处理方法对液态乳中　铬元素测定的影响，实验结果表明，干法灰化可以避　［５］商宜美，栗同林，林玉玲．原子吸收光谱法测定铬含量［Ｊ］．　石化技术，２００８，１５（３）：１７—１９．　［６］左文霞，贾涛．原子吸收一石墨炉法测定鱼粉中的铬［Ｊ］．　饲料研究，２０１０（９）：４６—４７．　［７］张美琴，侯成美，陈海仟．微波消解样品一石墨炉原子吸　收光谱测定饲料中铬［Ｊ］．理化检验一化学分册，２０１０，４６（９）：１０１５　—免使用过多浓酸，减少对石墨炉管的腐蚀作用，延长　石墨管的使用寿命。虽然处理时间稍长，但其处理方　法较为简单。同时从该方法的准确度、检测限和回收　率实验来看，该方法具有灵敏度和准确度高的特点，　完全能够满足液态乳中微量铬的测定。　参考文　献　［１］王蓉，袁东，付大友，等．牛奶中铬含量分析［Ｊ］．食品科　学，２００６，２７（１２）：６８１—６８３．　１０１６．　［８］但德忠．分析测试中的现代微波制样技术［Ｍ］．成都：四川　大学出版社，２００３：２８—３２．　［９］ＧＢ／Ｔ５００９．１２３—２０ｏ３食品中铬的测定［ｓ］．　［１０］李昌厚．原子吸收分光光度计仪器及其应用的最新进展　［Ｊ］．光谱仪器与分析，２００３（３３）：８６—８７．　［１１］李义，禹海清，董建芳，等．加标回收在水质分析中的应　用及加标回收率计算方［Ｊ］．岩矿测试，２０１０，２９（５）：５９７—６００．　［１２］尹雪斌，卢晓奇，姚春霞，等．关于降低ＡＦＳ一９３０型原子　荧光光度计汞检出限的方法研究［Ｊ］．光谱学与光谱分析，２００９，２９　（５）：１４３１—１４３３．　［２］郝岩平，亢美娟，王克新．石墨炉原子吸收光谱法测定乳　制品中铬的含量［Ｊ］．中国食品添加剂，２００６（３）：１５１—１５４．　［３］ＧＢ／Ｔ２７６２－－２００５食品中污染物限量［Ｓ］．　［４］郝丽峰．《食品安全法》解读及其对食品行业的影响分析　『Ｊ］．标准科学，２００９，４２６（１１）：７３—７７．　●●●●ｉｉｉｉ●●◆◆◆◆ｉ◆●●＇１Ｏ◆◆●Ｉ◆◆◆Ｉ◆Ｉｉ◆◆◆［１３］李海峰．检出限几种常见计算方法的分析和比较［Ｊ］．光　谱实验室，２０１０，２７（６）：２４６６—２４６９．　（编校：叶超）　Ｉ●●Ｉ●◆◆◆◆◆◆Ｉ］ｎ　ｌ◆◆ＩＩ◆◆Ｉ１◆］◆ＩＩ◆◆　Ｉ　ＩＩ　（上接第９１页）　２）不采用集水廊道，大坝下游河床大面积可能　存在浸没现象，影响河床下游公路交通和农民住　房、农作物及养殖业。采用集水廊道，能够有效地　降低坝内和下游河床浸润线，使下游溢出点远离坝　趾附近，大大减少下游浸没区范围，有利于大坝整　渗流计算的单宽流量高于饱和渗流计算，坝基渗漏　量是坝体渗漏量的２０多倍，应加强地基防渗处理。　此外，从表２还可以看出，无集水廊道工况下，饱　和与非饱和计算出的下游溢出点均发生在下游坝趾　附近的部分区域，大坝整个下游河床有可能出现浸没　现象。溢出点坡降在０．３６１～０．３６６之间，小于壤土　临界坡降，溢出点附近不会出现流土。有集水廊道工　况，饱和与非饱和渗流计算溢出点均可能发生在集水　廊道底部，也可能发生在距坝趾约１５０　ｍ处。　体抗滑稳定和后期安全运行，但是局部渗透坡降增　大。此外，建集水廊道工况引起的渗透坡降稍大于　未建集水廊道工况，应注意局部渗透破坏问题。　参子大学，２００６．　考文献　［１］邓苑苑．病险土石坝渗流破坏机理分析［Ｄ］．石河子：石河　［２］李少明．防渗墙质量缺陷对土石坝渗流控制的影响［Ｊ］．　南水北调与水利科技，２０１２，１０（５）：１７４—１７７．　４　结论　１）采用饱和渗流和非饱和渗流两种方法计算　所得的渗流场变化规律存在差异。非饱和渗流模　型，既反映饱和区渗流水运动情况，又反映了非饱　［３］刘晓庆，郑来元，刘佳．高土石坝稳定一非稳定渗流有限元　分析［Ｊ］．三峡大学学报：自然科学版，２００８，３０（３）：３０—３３．　［４］弗雷德隆德，拉哈尔佐．非饱和土力学［Ｍ］．北京：中国建　筑工业出版社，１９９７：１８７—１８９．　和区渗流情况，它使渗流模拟更符合实际情况。非　饱和区的存在对渗流场的变化有直接影响，和饱和　渗流分析相比较，单宽流量增大，浸润线抬升，将影　［５］胡瑞，曾胜．材料的各向异性对渗流场的影响分析［Ｊ］．三　峡大学学报：自然科学版，２０１０，３２（１）：ｌ７一ｌ９．　［６］刘文，钟小彦，覃昕慧，等，西夏水库防渗方案渗流场的有限　体积法数值模拟研究［Ｊ］．水利与建筑工程学报，２００８，６（３）：５８　响下游边坡的稳定。对于高坝的渗流分析，考虑非　饱和渗流的影响更为合理，对于该坝而言，两种方　法计算有一定差别，但影响不太大，其原因是大坝　较低，导致其渗流场计算结果相近。　６１．　［７］钟小彦．基于多孑Ｌ介质模型和法的渗流场数值模拟［Ｄ］．　西安：西安理工大学，２０１０．　（编校：夏书林）