混凝土面板堆石坝渗流计算

浅议水库混凝土面板堆石坝止水及计算原理摘要:本文通过对水库混凝土面板堆石坝止水、工程面板失效情况的计算分析、施工中应注意的问题,论述了坝体止水系统失效的模拟方法,并研究了周边缝以及面板垂直缝止水破损失效对坝体的影响规律。

关键词:水库混凝土；面板堆石坝；计算原理；施工；止水一、引言混凝土面板堆石坝的防渗体系主要由混凝土面板、趾板、防渗墙及灌浆帷幕等基础防渗设施组成。

混凝土趾板的作用是将基础防渗设施及坝体混凝土面板相连接,形成完整的防渗体系。

混凝土趾板与面板之间设周边缝,趾板与面板都是分期浇筑的,块与块间也有各种接缝,接缝的止水也是防渗体系中的重要环节。

混凝土面板堆石坝的止水系统主要包括周边缝止水、面板划分条块的面板缝(垂直缝)止水、分期浇筑面板的水平缝止水以及面板与防浪墙底板间的水平缝止水等。

这些不同类型的接缝止水是面板坝防渗体系中重要而又薄弱的环节,接缝张开、止水失效往往是面板坝大量渗漏,甚至导致面板坝出现险情的重要原因。

二、计算原理考虑稳定渗流情况,采用基于变分不等式理论的固定网格迭代方法截止负压法求解。

采用Galerkin逼近方法,可导出有限元矩阵方程如下:[K]{P}={F} （1)式中[K]——总体渗透矩阵;[P]——结点压力列向量;[F]——结点流量列向量。

它把各个单元的结点贡献累加到总体渗透矩阵和结点荷载列向量中去。

式(1)是非线性的,可用截止负压法求解。

为了勾画出一个光滑而精确的自由面,允许在自由面以上的非饱和区中存在一定的负水压力,而饱和区中的压力保持为正,这样,单元中的零压面就是自由面。

这些负压值应满足两个条件:①应足够大,以保证自由面穿过单元时的插值精度;②应有一定的幅值,即截止负压,保证当网格尺寸趋于零时,其值也趋于零。

三、止水失效影响分析3.1计算模型与方案某混凝土面板砂砾石坝,趾板建于深厚覆盖层上,覆盖层以上坝高110m,坝顶高程1654m,坝顶长度337.6m。

面板每12m分垂直缝,计算时截取2块6m宽的面板夹一条2cm宽的面板缝以及坝体和坝基建立有限元模型。

《河南水利与南水北调》2024年第3期堆石混凝土重力坝坝体防渗设计陈焕民黔东南州水利投资（集团）有限责任公司，贵州凯里556000摘要：为确保堆石混凝土重力坝防渗设计可靠安全，本工程设计首次提出采用0.50m 厚W10防渗自密实混凝土与2.00m 厚防渗堆石混凝土共同构成大坝防渗体系的方案，通过水力坡降与承压水头计算复核大坝防渗层材料的设计抗渗等级、设计厚度均可满足现行规范要求，通过设置堆石外露区以提高坝体层间结合性能，并针对性提出防渗层水平施工缝的技术要求。

关键词：防渗堆石混凝土；防渗厚度；水力坡降；防渗等级；堆石外露区中图分类号：TV642.3文献标识码：B文章编号：1673-8853（2024）03-0051-02作者简介：陈焕民（1967—），男，高级工程师，主要从事水工水电工程管理。

0前言某水库工程主要任务是提供灌溉用水和生活用水，水库总库容1518万m 3，大坝为堆石混凝土重力坝，最大坝高71m ，坝顶总长148m ，坝顶宽6m ；坝体设有永久性横缝，横缝间距为15～20m ，由坝基贯通坝顶；坝体上游防渗层为二级配C25高自密实混凝土，厚0.80m ，防渗等级W10，抗冻等级F100。

基础排水廊道为城门洞形，断面尺寸1.80m×2.50m ，全长106m ，采用50cm 厚C25高自密实混凝土衬砌；基础强约束区岸坡段采用C15高自密实混凝土，厚0.60m ，防渗等级W6，抗冻等级F50；其余部位采用C15堆石混凝土，防渗等级W4，抗冻等级F50。

1坝体防渗设计方案现行行业标准SL 678-2014（以下简称“导则”）第5.5节对胶结颗粒料坝（包括堆石混凝土坝和胶凝砂砾石坝两种坝型）的坝体防渗做出了具体规定，其中第5.5.2条提出胶结颗粒料坝防渗设计的共性要求，第5.5.4条是在共性要求的基础上提出堆石混凝土坝防渗设计的具体要求。

此工程采用防渗自密实混凝土与防渗堆石混凝土共同构建大坝防渗体系的设计方案。

⾯板堆⽯坝设计规范混凝⼟⾯板堆⽯坝设计规范Design Code for Concrete Face Rockfill DamsSL 228-98主编单位：⽔利部⽔利⽔电规划设计总院批准部门：中华⼈民共和国⽔利部1999-01-16发布1999-02-01实施前⾔根据⽔利部1997年下达的技术标准制定、修订计划，在DL5016—93《混凝⼟⾯板堆⽯坝设计导则》(以下简称原导则)基础上，吸收国内外⼗多年来的建设经验和科研成果，对原导则⾏了修改补充，制订本规范。

本规范主要内容包括：混凝⼟⾯板堆⽯坝及有关的泄、放⽔等建筑物布置；坝体堆⽯或砂砾⽯材料详细分区；坝体材料特性和填筑质量标准；坝体设计和计算；坝基及岸坡开挖与处理；混凝⼟趾板与⾯板设计；周边缝及垂直缝等各种接缝⽌⽔设计；分期施⼯和已建坝的加⾼；原型观测布置设计等的基本规定和要求。

对原导则修改补充的主要内容如下：1将适⽤范围修改为适⽤于1、2、3级及3级以下坝⾼70m以上的混凝⼟⾯板堆⽯坝设计。

2 增列了术语和符号⼀章，统⼀图⽰标记。

3修改了原导则中在砂砾⽯地基上不宜修建⾼混凝⼟⾯板堆⽯坝等规定。

4 强调了使⽤枢纽建筑物开挖料及近坝区⽯料或砂砾料⽤作坝体填筑料，以提⾼技术、经济效果。

5拓宽了对趾板地基要求。

除弱风化岩层外，经过专门论证，采取⼯程措施，也可建于风化破碎或软弱基岩上。

补充提出了采⽤混凝⼟防渗墙、将趾板置于砂砾⽯层上的基本要求。

6 补充了需要进⾏稳定分析和有限元法计算坝体应⼒、变形的基本要求。

7增列了坝顶结构设计要求、坝体抗震措施及砂砾⽯坝体渗流控制的基本要求。

8补充了确定混凝⼟⾯板厚度的标准、对原材料及配合⽐等的技术规定、⾯板的防裂措施和要求。

对周边缝⽌⽔作了适当简化，并拓宽了要求。

9 适当简化了⼀般性观测项⽬，增列了可选择的观测项⽬。

本规范解释单位：⽔利部⽔利⽔电规划设计总院本规范主编单位：⽔利部⽔利⽔电规划设计总院本规范主要起草⼈：赵增凯蒋国澄曹克明杨德福杨世源王治明⽬录1 总则1.0.1为适应混凝⼟⾯板堆⽯坝建设发展的需要，规范混凝⼟⾯板堆⽯坝的设计，使其达到安全适⽤、经济合理、技术先进和保证质量，特制定本规范。

坝体设计1、坝体断面设计基本资料设计洪水位 上游：605.5m 下游：578.8m 校核洪水位 上游：607.35m 下游：580m 正常水位 上游：605m 下游：578.5m 死水位 588m多年平均风速：12m/s 多年最大风速：18m/s吹程：正常水位：210m 设计水位：210.5m 校核水位：212m 地震烈度：7度。

坝顶高程的确定坝顶高程按以下四种条件计算，取其最大值： ① 设计洪水位加正常运用条件的坝顶超高；② 正常蓄水位加正常运用条件的坝顶超高； ③ 校核洪水位加非常运用条件的坝顶超高；④ 正常蓄水位加非常运用条件的坝顶超高，再加地震安全超高。

坝顶高程=水库静水位+坝顶超高 坝顶超高d=R+e+AR —波浪在坝坡上的设计爬高； e —风浪引起的坝前水位壅高；运行条件下A=0.4m 。

水位壅高计算公式如下：βcos 22mgH D KW e =式中 e —计算点处的风壅水面高度，m ； D —风区长度，m ；K —综合摩阻系数，取3.6×10-6； β—计算风向与坝轴线法线的夹角。

波浪爬高计算公式如下：m m W m L h mK K R 21+=∆⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛=7.0245.027.0227.013.00018.07.013.0W gH th W gD th W gH th W gh m m m 5.0438.4m m h T = π22mm gT L =m m W m L h mK K R 21+=∆605m 坝前水深40m ，平均水深340*0.55m 。

设计情况：计算得m h =0.448m,970.2=m T m,761.13=mL m 1.240m h =0.645 m T =3.564 m L =19.820 1.785m m W m L h mK K R 21+=∆取防浪墙顶高程609m，防浪墙坝顶超高1.2m，所以坝顶高程为607.8m。

面板堆石坝渗流二维有限元分析摘要：本文采用autobank软件，对某电站的面板堆石坝的渗流场进行二维有限元数值计算，分析大坝渗流场分布规律，确定各工况下坝体内浸润线，分析面板、堆石体及基础的渗透坡降，并计算相应典型剖面的单宽渗流量。

关键词：面板堆石坝；autobank；渗流场；渗透坡降abstract: in this paper autobank software, a power of the rockfill dam seepage field of 2 d finite element numerical calculation, analysis the dam seepage field distribution rule, determine the conditions in the dam infiltrating line, analysis of the panel, stone body and basic seepage slope, and calculating the corresponding profile of the typical single wide seepage flow.keywords: face rockfill dam; autobank; seepage field; seepage slope中图分类号： tv641.4 文献标识码：a文章编号：1引言大多数岩土工程中发生的事故和地质灾害都与土中水有关。

土中水的增加使非饱和土的基质吸力锐减；部分岩土软化，土的结构破坏；由于超静水压使土体的有效应力较小；当发生渗流时还可能由于渗透力的作用而增加许多不利因素。

渗流与水工建筑物的安全与正常工作有着密切的关系。

根据我国对241座大型水库曾发生的1000件工程安全问题的统计，其中31%是由渗流引起的。

因此，对大坝的渗流场进行分析是非常有必要和有意义的。

第29卷第6期2008年12月华　北　水　利　水　电　学　院　学　报Journa l of Nort h China Institut e of W ate r Conservancy and Hydroe l ec tric Powe rVol .29No 16Dec .2008收稿日期65作者简介苏玉杰(—),男,河南开封人,工程师,硕士,主要从事水库大坝渗流安全分析方面的研究文章编号:1002-5634(2008)06-0039-03混凝土面板裂缝渗流计算与分析苏玉杰1,赵慧珍2,徐家海1(1.浙江省水利河口研究院,浙江杭州310020;2.华北水利水电学院,河南郑州450011)摘　要:混凝土面板堆石坝的防渗面板容易产生裂缝,裂缝的渗流状态与形式对坝体安全有着直接的影响.采用岩体裂缝渗流的理论计算方法,结合工程实例对防渗面板裂缝内部的渗流状况及形态进行分析,确定了防渗面板裂缝的渗流状态,为其防渗处理及加固提供了依据.关键词:防渗面板;裂缝;渗流计算中图分类号:T V22314 文献标识码:A 混凝土面板作为堆石坝的防渗体,其防渗能力是影响大坝渗流安全的主要因素.由于受大坝变形及环境因素的影响,防渗面板容易产生结构裂缝,从而影响大坝整体的防渗性能.对于面板裂缝,目前一般采用现场检测的方法,检测内容仅局限于裂缝宽度、长度及深度.由于裂缝填充物质、裂缝裂隙分布等因素的影响,裂缝内部的渗流状态、渗流形式较为复杂,笔者采用岩体裂缝渗流的理论计算方法,结合工程实例对裂缝的渗流状态进行了初步的分析与研究.1　裂缝渗流的理论计算方法1.1　裂缝的水力特性裂缝中的水流运动问题属于水力学问题,可直接引用二平行板间水流的基本公式.对于缝壁光滑的裂缝,当层流时单位宽度上的缝际流量为q =dv b =gb 3J12v(1)式中:v b 为缝中平均水流速度;b 为裂缝张开度;J 为缝中水流的水力坡度;g 为重力加速度;v =μ/ρ,为运动粘滞系数.若裂缝不是均匀的张开度,可按下式取裂缝张开度的平均值b3=∫bm ax b m inb 3f (b )d b(2)式中f (b )为裂缝张开度的分布函数.对水力光滑缝中的层流,沿程的摩阻系数为λb =24vbv b=24Re , Re =bv bv(3)对于有一定粗糙度的裂缝,需考虑水流穿经凸起物排列间隙的曲折迂回流动,根据路易斯(Louis )实验成果,对于粗糙缝的计算公式为:层流　λb =24Re 1+8.8Δ2b 1.5(4) q =b 3J g 12v 1+8.8Δ2b 1.5-1(5)紊流　1λb=-22lgΔ1.9×2b (6)q =4b1.5J g lg1.9×2b Δ(7)1.2　判定防渗面板裂缝中的达西流一般来说,裂缝的粗糙率越大,宽度越小,水力比降也不大时,其流动在很大范围内符合达西定律.根据罗米日(Ρомизе)在平行玻璃面板粘石英砂的试验,缝宽限制在0.5c m 以下,绝对糙率Δ为0.2c m ,仍属达西流.1.3　裂缝渗透系数在计算中分2种情况对裂缝渗流进行计算.1.无充填情况.由式(6)和(8)可知裂缝中的渗透系数为: 层流 K =gb212v 1+8.8Δ2b1.5-1(8):2008-0-2:1979. 紊流 k=4g lg1.9Δ/2b b(9)2.有充填情况.实际工程中,在渗透压力与水流的作用下,水中的细颗粒逐渐地填到裂缝里面,使得裂缝中的渗透系数逐渐变小,因此,裂缝中的渗透系数有可能比上述公式得出的数值小.根据无粘性土的渗透特性可知,裂缝充填后的渗透系数可表示为k=234n3d220(10)式中:n为充填物的孔隙率;d20为土的等效粒径,c m.2　工程实例某水库大坝为钢筋混凝土面板干砌块石坝,最大坝高42.5m,坝顶长175m,坝顶宽5.5m,坝体防渗体采用钢筋混凝土防渗面板.工程于1981年开始蓄水,当时以上游0.7m厚的混凝土垫层作为临时防渗体,工程运行至1983年4月,大坝补浇钢筋混凝土防渗面板.面板厚度0.5m,抗压强度平均为41.9MPa,混凝土抗渗标号W8.水库运行至1989年后,大坝因产生不均匀沉降,面板出现4条垂直裂缝,2001年对上游钢筋混凝土防渗面板裂缝表面也进行了处理,将裂缝凿成“V”形,缝内灌嵌SR止水填料,目前裂缝补强材料已破损开裂.2.1　渗漏量分析渗流观测点设置在下游坝脚,以混凝土截水墙引入集水井中,采用三角堰测量渗流量.渗漏量观测装置所观测到的渗流量主要有以下两方面的来源:①通过面板的渗漏(包括面板裂缝、周边缝和垂直裂缝的渗漏);②绕趾板下基岩的渗漏.由于趾板混凝土基础在基岩中具有一定的嵌入深度,且坝基基岩本身的透水性较小,运行过程中,通过趾板的渗漏量基本上是稳定的,计算结果为0146L/s.在1982年以前,大坝未浇筑钢筋混凝土面板,仅利用混凝土主垫层进行防渗,依据实测渗漏量资料,对混凝土主垫层综合渗透系数进行反演计算,得出混凝土垫层渗透系数为1155×10-4c m/s. 1983年大坝补做钢筋混凝土防渗面板,防渗性能良好,水位为196176m,根据实测大坝渗漏量,可计算在面板完好时的综合渗透系数,从而计算出通过面板的渗漏量,计算结果见表1.反演所得到的在面板完好时2种防渗材料的综合渗透系数,计算通过面板裂缝的渗漏量,根据实测资料,6年库水位在33时,实测大坝的渗漏量达到了L,由此计算通过面板裂缝的渗漏量约为3L表1　面板及垫层综合渗透系数反演计算结果工况实测渗漏量/(L s-1)面板综合渗透系数/(cm s-1)通过面板渗漏量/(L s-1)未浇钢筋混凝土面板12710—125.47面板运行初期1.50.90×10-61.022.2　裂缝渗流分析根据现场检测,面板裂缝宽为0.2～0.4cm,通过面板裂缝的最大水力比降平均约为5.8,裂缝渗流属达西流.理论计算通过裂缝渗漏量,分别假定裂缝有、无填充物质,计算结果与实测渗漏量进行对比,分析裂缝渗流状况.1.无填充物情况.假定裂缝糙率分别为0.05, 660.10,0.15cm,对通过裂缝的渗漏量进行计算,计算成果见表2.表2　无充填裂缝在不同裂缝糙率情况下渗流计算成果裂缝糙率/c m渗透系数/(cm s-1)雷诺数渗流量/(L s-1)0.055.05E+024.251568.110.103.83E+023.221188.460.152.92E+022.45904.790.059.31E+011.32E+03288.920.107.25E+017.79E+02224.870.156.04E+014.94E+02187.40 2.有填充物情况.对于不均匀的砂砾料,其孔隙率n=0.2～0.3,假定填入裂缝中的细颗粒比较均匀,其孔隙率取n=0.4～0.5,分别选取充填物等效粒径d20分别为0.01,0.02,0.03,0.04,0.05,0.07, 0.10c m的情况下,计算裂缝充填物的渗透系数,并最终计算通过裂缝的渗漏量,计算成果见表3和表4.2.3　计算成果分析假定裂缝无充填物质的情况下,计算得到的渗漏量与实测渗漏量相差一个数量级以上,与实际渗流状况不相符.假定裂缝内部有充填物情况下,经不同充填物质类型试算,当选用充填物无粘性土孔隙率为,无粘性土等效粒径=时,与实测得到的渗漏量较接近,通过裂缝渗流的状态为裂缝存在充填物质,通过裂缝的综合渗透系数为04　华　北　水　利　水　电　学　院　学　报 2008年12月20019.8m8.7/s7./s.0.4d200.04c m2.4c m/s.表3　充填物在不同孔隙率、等效粒径情况下裂缝渗透系数cm /sn d 20/c m0.010.020.030.040.050.070.100120118E -02714E -02117E -01219E -01416E -01910E -01118E -000.306.2E -022.5E -015.6E -019.9E -011.6E +003.0E +006.2E +000.401.5E -015.9E -011.3E +002.4E +003.7E +007.2E +001.5E +010.452.1E -018.4E -011.9E +003.4E +005.2E +001.0E +012.1E +010.502.9E -011.2E +002.6E +004.6E +007.2E +001.4E +012.9E +01表4　充填物在不同孔隙率、等效粒径情况下裂缝渗漏量L /s nd 20/cm 0.010.020.030.040.050.070.10012001060123015101911143218051710.300.190.77 1.73 3.084.829.4419.260.400.46 1.83 4.117.3111.4222.3845.660.450.65 2.60 5.8510.4016.2531.8665.020.500.893.578.0314.2722.3043.7089.193　结　语通过面板裂缝特征及渗流形态的分析,运用岩体裂隙渗流的有关计算方法,结合工程实例的大坝渗漏量观测资料,对裂缝的渗流状况及渗流形式进行分析与计算,最终确定了防渗面板裂缝的渗流状态,这对面板裂缝采用的防渗处理方法及加固措施提供了重要的依据.参　考　文　献[1]毛昶熙.渗流计算分析与控制[M ].北京:中国水利水电出版社,2003:48-56.[2]刘杰.土石坝渗流控制理论基础及工程经验教训[M ].北京:中国水利水电出版社,2006:15-24.[3]张嘎,张建民,洪镝.面板堆石坝面板出现裂缝情况下的渗流分析[J ].水利学报,2005,36(4):420-425.[4]王瑞骏,吕海东,李炎隆.裂缝密集型面板渗流的等效准连续介质模型[J ].西北农林科技大学学报(自然科学版),2006,36(12):209-214.[5]刘红岩,王新生,秦四清,等.岩石边坡裂隙渗流的流形元模拟[J ].工程地质学报,2008,16(1):53-58.[6]郁伯铭,徐鹏,陈俊.裂缝网络多孔介质渗流特性研究[J ].西安石油大学学报,2002,22(2):21-25.[7]许国安,武桂生.混凝土防渗墙出现裂缝的渗流分析研究[J ].水力发电,1993,11:31-35.Ana lysis an d Ca lcula t ion on C ra ck ′s Seep of C oncre te Fa ce Sla bS U Yu 2jie 1,ZH AO Hui 2zhen 2,X U Jia 2ha i1(1.Z hejiang Institute of Hydraulics &Estua ry,Hangzhou 310020,China;2.North China Institute of Wa ter Cons e rvancy and Hydroelectri c Po we r,Zheng zh ou 450011,Chi na)Ab stra ct:The seepage contr olling face slab of concrete 2faced rockfill dam is ea sy t o eme rge cracks .T he seep ′s configura tion and f orm of c racks has the direct effect t o t he dam safe ty .M aking use of the m ethod and theory of crack seep in rock,the seep ′s configura ti on and for m of c racks in concrete face slab is analyzed combining with the exa mp l e ,the conditi ons of the s eep of c racks on conc re t e face slab a re de ter m ined .Key wor ds:concrete face sl ab;c racks ;seep calculati on14第29卷第6期苏玉杰等:　混凝土面板裂缝渗流计算与分析 。

基于ABAQUS分析砼面板堆石坝坝后渗流场[摘要]应用ABAQUS软件的位移—孔压单元计算钢筋混凝土面板堆石坝(CFRD,或简称面板坝)坝后渗流场中的各关键要素,解决了复杂边界、多种介质的面板坝稳定渗流问题,并通过实例验证。

[关键词] 面板坝渗流场ABAQUS有很多的方法和有限元软件计算渗流，而有限元软件中计算3D渗流场的有ANSYS、Seep3D和Adina，很少有人用ABAQUS，本文就主要介绍应用ABAQUS计算3D渗流场，并用实例验证。

1、ABAQUS简介ABAQUS是国际上最先进的大型通用有限元计算分析软件之一[1~2]，拥有不同种类的单元模型、材料模型、分析过程等，可以进行结构的静态与动态分析，其中，位移—孔隙压力单元可模拟固体与流体的相互作用，还可以进行饱和土—非饱和土的变形—渗流计算，不但用于稳定渗流，而且也可以用于超出达西定律的非线性渗流计算，这都可以说明，ABAQUS作为岩土工程分析渗流的专业软件来看待。

2、ABAQUS在饱和—非饱和渗流场中的分析2.1多孔介质中的液体流动在非饱和土中，支配着土壤水在液态下整体转移的是重力和水的表面张力，而在饱和土壤中，引起水分转移的力是重力和水的压力。

Richards等曾在1931年就证明非饱和土中的渗流与饱和土一样符合达西定律和连续方程[3]。

ABAQUS/Standard中处理多孔介质中的流体流动的方式和岩土工程的做法一致[4~5]，将多孔介质视为土、水和气体，土体的体积包括两部分：土颗粒的体积和孔隙的体积，孔隙的体积等于孔隙中液体的体积与气体的体积之和[6~7]，孔隙中的水也包含两部分：一是液体，另一部分是气体。

计算中将网格固定在土架上，气体或液体可流过网格，但要满足流体的连续性方程。

2.2非饱和渗流中的边界问题为了能说明问题，图1给出面板堆石坝的典型边界条件，具体为：图1 面板堆石坝典型边界图（1）S1为已知总水头边界条件，即总水头＝H1，对于已知总水头边界条件，ABAQUS/Standard中指定边界上的孔隙水压力即可即：（2）S2为已知总水头边界条件，即总水头2＝H2，对于已知总水头边界条件，ABAQUS/Standard中指定边界上的孔隙水压力即可，即：（3）S3为不透水边界条件，即通过该边界的流量为零，由于ABAQUS/Standard中默认所有的边界条件是不透水的，因此分析中无须额外设置。

混凝土面板坝渗流分析方法初探a盛金保,李　雷(南京水利科学研究院,水利部大坝安全管理中心,江苏南京　210029)摘要:对混凝土面板坝的渗流分析方法,重点是面板与高挡墙底板间水平接缝止水破坏后的渗流分析方法进行了探讨,可供面板坝设计参考.关键词:混凝土面板坝;渗流;分析方法中图分类号:T V641.43 文献标识码:A 文章编号:1001-3962(2000)02-0039-05混凝土面板堆石坝是近二三十年内发展起来的一种新坝型,因其具有断面小(与土坝相比)、就地取材、施工导流简便、工期短和造价低等优点,已在世界范围内得到迅速推广.我国目前已建成或正在修建的面板坝有50多座.最大坝高达180m.由于混凝土面板坝的发展历史尚短,而且堆石坝体具有较高的强度,可以维持较陡的边坡,粗颗粒形成的骨架能很好地保持其渗透稳定性,因此在1993年青海省沟后水库钢筋混凝土面板砂砾石坝溃决之前,国际上尚无一例面板坝因整体失稳或渗漏破坏而导致大坝溃决的实例.迄今为止,面板坝的设计基本上是经验性的,采用工程类比的经验方法为多,很少进行分析计算,即使做了计算分析,也仅作为参考.这主要是由于现有的面板坝计算理论还不够成熟和完善.面板坝的计算理论包括稳定、变形、应力变及渗流分析等四个部分,沟后坝的溃决与这几方面都有直接联系.沟后面板坝失事的惨痛教训表明,面板坝(特别是用弱透水材料填筑坝体的面板坝)的建设仅停留在经验水平上是不够的,应在前人工作的基础上,继续发展和完善面板坝的设计计算方法,使其更加合理.对于堆石或卵、砾石面板坝,因其坝体透水性极强,以及对于坝内有竖向有效排水系统的面板坝,因渗水进入坝体后排水十分通畅,均不会形成高浸润面,大部分坝体无孔隙水压力和渗流作用.本文主要针对用弱透水材料(砂砾,含泥石渣、卵砾石,含细粒多的风化料等)填筑的、且未设竖向排水的面板坝渗流计算方法进行探讨,重点对面板与高挡墙底板水平接缝止水破坏后的渗流进行分析.1　正常运行条件下的面板坝渗流分析正常运行情况下的面板坝的渗流分析,主要是对面板缝隙产生的渗漏计算.研究表明[1],当面板厚度t p (即入渗渗径)与缝隙宽度b 之比(t p /b )<3～4时,通过缝隙的水头损失为零,即可忽略缝隙水头损失.这时,由于垫层具有半透水性,几乎90%以上的水头损失都集中在垫层区,垫层区控制着渗流量.计算结果表明,此时缝隙的宽度对渗流量影响很小.当(t p /b )>3～4时,通过缝隙的水头损失不可忽略,此时,缝隙的几何尺寸及缝面糙率将对渗流起控制作用.钢筋混凝土面板的厚度一般大于30cm,而大量的观测资料表明[1],面板的裂缝宽度为毫米量级.如国内多座面板坝中,以小干沟坝的面板裂缝宽度最大,也仅为2mm.面板的接缝,特别是周边缝的张开宽度一般较大,最大可达10cm 左右.即使如此,在止水失效情况下,仍可基本满足(t p /b )>3～4的条件,故假定:¹第2期2000年6月南京水利科学研究院水利水运科学研究JOURNAL OF NANJING HYDRAULIC RESEARCH INSTITUTEN o.2Jun.2000a 收稿日期:1999-06-24作者简介:盛金保(1966-),男,安徽青阳人,工程师,硕士,主要从事大坝安全评价、监测与管理工作.缝隙的几何尺寸及缝面糙率对渗流起控制作用;º坝体内渗流属层流运动,即满足达西定律;»堆石体各料区均质;¼基岩相对不透水;½面板除缝隙外相对不透水.因此,可以近似地认为,通过面板缝隙的渗流量就是整个坝体的渗流量.根据C.路易斯的研究,当水流通过粗糙裂缝且为层流时,其流速[1]v =g b 212T 11+8.8(K /D n )1.5i (1)式中:K 为裂缝表面的绝对粗糙度(即粗糙高度);裂缝的水力直径D n =2b ;b 为裂缝宽度;k /D n 为相对粗糙度(对于光滑缝面为0,当粗糙高度等于裂缝宽度时为0.5);g 为重力加速度;T 为水的运动粘滞系数;i 为裂缝渗流水力比降,近似为作用水头与面板厚度之比.故通过单位长度裂缝的渗透量为q f =g b 312T 11+8.8(K /D n )1.5i (2) 若相对粗糙度K /D n =0.5,水温为20℃,则式(2)可简化为q f =2×105b 3i(3) 现取单位长度坝体作为分析对象,分段建立各坝区的流量方程,计算简图见图1.图1　渗透流量计算简图Fig .1　Calculating chart fo r seepage discharg e通过面板的渗流量q =∑l n b 3n i n ×105(4)式中:l n 为相应于缝宽为b n 的缝隙总长;i n 为裂缝渗流水力比降,并按下式计算:i n =H 1-h 1t p x (x ≤L 1)H 1-x tan A 1t p x (x>L 1)式中:H 1,h 1分别为面板上、下游水深;A 1为面板坡角;t px 为(x ,x tan A 1)处的面板厚度.通过垫层区的渗流量按下式计算[1]:q =k 11+m 21(h 21-h 22-b 2s cos 2A 1sin 2A 12b s sin A 1)(5)式中:m 1,A 1分别为垫层区的坡度系数和坡角;h 1,h 2分别为垫层区上、下游水深;k 1为垫层区渗透系数;b s 为垫层厚度.通过坝身的渗流量按下式计算[2]:q =k(h 2-H 2)2L -m 2H 2+(L -m 2H 2)2-m 22(h 2-H 2)2+k (h 2-H 2)H 2L -0.5m 2H 2+k 0(h 2-H 2)T L +m 1h 2+0.88T (6)式中:H 2为下游水深;T 为坝基覆盖层厚度;m 2为下游坝坡坡度系数;k 为主堆石区渗透系数;k 0为坝基覆40 水　利　水　运　科　学　研　究 2000年6月盖层渗透系数.联立解式(4)～(6),便可求得q ,h 1和h 2.渗透逸出高度h 0可按下式计算[2]:h 0-H 2=qk m 2+0.51+(m 2+0.5)H 2(m 2+0.5)(h 0-H 2)+m 2H 22(m 2+0.5)+k 0T (m 2+0.5)(h 0-H 2)+m 2H 2+0.44T k >k 0q k m 21+(m 2+0.5)H 2(m 2+0.5)(h 0-H 2)+0.5H 2+k 0T m 2k 0+0.44T k ≤k 0(7) 坝体内的浸润线计算式[2]为x =-k 0T y -h 0q ′+k y 2-h 202q ′(8)其中:q ′=k h 22-h 202(L +m 12m 1+1h 2-m 2h 0)+k 0T h 1-h 0L +m 2h 1-m 1h 0 也可采用有限单元法对面板坝进行渗流分析.此时,只需将缝隙简化为水头边界或流量边界:当(t p /b )<3～4时,忽略通过缝隙的水头损失,将缝隙简化为一条线,水头通过该线直接作用在垫层上;当(t p /b )>3～4时,将缝隙处理成流量边界,作用在垫层上的流量按式(2)或式(3)计算.有限元分析方法的支配方程为:55x (k x 5h 5x )+55y (k y 5h 5y )+55z (k z 5h 5z)=0(9) 边界条件为:水头边界:h ûS 1=f 1(x ,y ,z );流量边界:h ûS 2=f 2(x ,y ,z )式中:h (x ,y ,z )为水头分布函数;k x ,k y ,k z 分别为以x ,y ,z 轴为主轴方向的渗透系数;f 1(x ,y ,z )为渗流域边界上的水头分布函数;f 2(x ,y ,z )为渗流域边界上的流量分布函数.2　高挡墙底板与面板间水平接缝止水破坏后的坝体渗流分析高挡墙底板与面板间的水平接缝止水遭到破坏后,当库水超过该缝高程时,将成为重要的渗流通道.面板与高挡墙水平接缝位于坝顶,张开变形较大,同时缝两边的相对沉降量也较大,致使过缝渗径变短.例如,沟后水库大坝面板与高挡墙水平接缝张开宽度b =6cm ,缝两边的相对沉降差$s =14cm ,而顶部面板与高挡墙底板厚t p =30cm,故过缝渗径l =t p -$s =16cm,l /b =2.67<3～4,接缝水头损失可忽略.顶部面板与高挡墙底板间的相对沉降量过大,还会造成接缝下的局部区域垫层受剪切作用而破坏,起不到控制渗流的作用.所以,计算分析中可将该缝视为一条等水头线性边界,库水通过该缝直接作用于主堆石区.由于接缝下的局部区域垫层因剪切变形过大遭到破坏,能承受的作用水头可能很小,使得其下游部分范围内的主堆石区内渗流不再满足达西定律.但对主堆石区为弱透水材料的面板坝来说,这些超过达西定律上限的局部区域与整个流场相比是很小的,仍可按达西定律来分析整个流场的渗流,即渗流支配方程仍为拉普拉斯方程.3　高挡墙与面板接缝止水防渗失效时的坝体浸湿过程大量原观资料表明[1],通过面板与垫层后的渗流剩余水头一般占总渗流水头的10%左右,因此,在面板与高挡墙水平接缝开始进水之前,坝体内的浸润面总是很低的.如果坝体内设有竖直排水设施并与面板与高挡墙水平接缝相接,因排水通畅,过缝渗水也不会形成高浸润面.否则有可能抬高浸润面,影响坝体的渗透稳定和下游坝坡的抗滑稳定性.41第2期 盛金保,等:混凝土面板坝渗流分析方法初探　库水自面板与高挡墙水平接缝渗入坝内起,将经历以下两个阶段:(1)非稳定自由渗漏阶段　过缝渗水从缝底垫层逐步湿润至坝面和起始浸润线,并不断抬高坝体浸润线.(2)顶托渗漏阶段　渗水不断补给,坝体浸润线将逐步上升而达缝底.当坝体浸润线与库水连成一体时,过缝渗漏将受到坝内水体的顶托,在经过一定的时间以后,达到稳定状态,即可按前述方法进行渗流计算.现分析过缝渗水饱和浸湿坝体的过程,并推导渗水前锋线在非饱和坝体中的推进速度和距离.计算简图见图2.图2　渗水前锋线推进计算简图F ig .2　Ca lculat ing char t for fro nt line of seepag e w ater由于非饱和土体中存在毛细管吸力,渗流水力比降按下式计算:i =(h +h c )/l(10)式中:h 为作用水头;h c 为吸压力水头;l 为渗径.当不能保证在接缝下面局部区域内的渗流为层流运动时,可根据雷诺数来判断其流态:R e =vd T式中:v 为坝体中的渗流速度;d 为坝体料的平均颗粒直径;T 为水的运动粘滞系数.达西定律上限的临界雷诺数Re 约在1～10之间,或确切一些说R e =5[2].因此可约定,当Re <5时,为层流运动;当R e >5时,开始进入紊流状态,且达西定律不再成立.流速与渗流水力比降之间的关系可表示为指数的形式[2]:v =ki m(11)式中的指数m 决定于坝体填筑料的密实程度与有效粒径.根据试验,对于粗砂和砾(d 10>0.4m m)的指数m 约从1降到0.7.对于层流运动,t 时刻渗水前锋线上任一水质点M (见图2)的推进速度:v m (t )=d l d t =K (H )n e h (t )+l cos H +h c l (12)式中:H 为l 与铅垂线夹角;K (H )为沿H 方向的渗透系数;n e 为非饱和土的气孔体积孔隙率;h (t )为t 时刻缝上水深;l 为渗径,即缝至M 点的距离;h c 为非饱和坝体的吸压力水头.解式(12)就可确定任一时刻过缝渗水前锋面的位置,进而可计算渗水自坝背水坡出逸的最短时间,也可计算过缝渗水何时到达坝体下部的饱和区.4　算　例对沟后水库大坝面板与高挡墙水平接缝渗水浸湿坝体的过程进行计算.为简单起见,只考虑沿水平和铅直向的流动,并假定渗流为层流运动.(1)沿高挡墙底板底的水平向流动(H =90°):K (900)=1×100cm /s=36m /h [3];h (t )=0.3+0.033t [4],其中,高挡墙底板厚为0.3m ,t 的单位为h ;上部坝体的平均孔隙率n =0.265,含水量X = 3.81%,干重度C d =19.70kN/m 3,算得n e =0.190[3];因高挡墙底板下存在水平向卵砾石透水层,故取吸压力水头h c =0.将所有变量代入式(12),并分离变量后得42 水　利　水　运　科　学　研　究 2000年6月l d l =(113.68+ 6.25t )d tl ût =0=0(13) 对上式进行积分后,得l= 3.125t 2+113.68t (14) 将水平渗径长度l =13.45m 代入上式,可求得t = 1.47h.也就是说,如果高挡墙底板下存在水平向强透水层(k =1×100cm /s ),过缝渗水只需约1.5h 就会从坝背水坡出逸.(2)沿垂直向的流动(H =0°):K (0)=1×10-2cm/s=0.36m /h;n e =0.153[3];h c =0.3m ;为简化计算,取缝上平均水深,即h (t )=0.45m.将所有变量代入式(12),并简化后得l d l 1.76+ 2.35l=d t l ût =0=0(15) 积分后,得t =12.352[1.76+ 2.35l - 1.76ln(1.76+ 2.35l )]-0.14(16) 假定在接缝开始渗水前,垫层后剩余水头为10%,则接缝到达起始浸润线的垂直距离l =50m ,将其代入式(16)得t =19.93h ,即过缝渗水需要约20h 才能到达坝体下部的饱和区.5　结　语本文的混凝土面板坝渗流分析方法,可以计算面板坝接缝止水全部或部分失效情况下的渗漏总量及坝体浸润线,从而能核算在不利运行条件下的坝体渗透稳定和整体稳定性.此外,还可估算在面板与高挡墙水平接缝进水后,渗流自坝体背水坡出逸的时间,进而估计自接缝进水到发生坝坡滑动的时间,为防洪减灾决策提供参考.参考文献:[1]　傅志安,风家骥.混凝土面板堆石坝[M ].武汉:华中理工大学出版社,1993.[2]　毛昶熙.渗流计算分析与控制[M ].北京:水利电力出版社,1990.[3]　李　雷,盛金保.沟后坝砂砾料的工程特性分析[R ].南京:水利部大坝安全管理中心.1996.[4]　盛金保.沟后坝溃坝渗流初步分析[J].大坝观测与土工测试,1996,(3).Preliminary study on seepage analysis methods of concrete -face damsSHENG Jin -bao ,LI Lei(N anj ing Hy draulic R esearch Institute ,Dam Saf ety Management Center of the M inistry of W ater Resources ,N anj ing 210029,China )Abstract :Seepag e characteristics of concrete-face dams,especially after the joint seal between the face and the base plate o f the high w ave w all is tor n,are analy zed and studied in this paper.The metho ds to analyze the seepage of concrete face dam s ar e also pr esented ,which may be helpful for designing concrete -face dam s in future.Key words :concrete-face dam ;seepage;analysis method 43第2期 盛金保,等:混凝土面板坝渗流分析方法初探　。

三、渗流计算内容（一）不透水地基均质坝渗流分析(1)下游有水而无排水或设贴坡排水情况(2)下游设有褥垫排水的情况或下游设有棱体排水且下游无水的情况(2)下游有堆石棱体排水且下游有水的情况（二）不透水地基心墙坝渗流分析计算时忽略上游坝壳段的水头损失，并将心墙简化为等厚的矩形断面，下游坝壳段与均质坝同样处理。

心墙简化为矩形，心墙段的单宽渗流量为：(1)假定下游坝壳逸出点位于下游水位与堆石内坡的交点A ，则坝壳内单宽流量表达式为：(2)由q= q1=q2，联立方程（1）和（2），可求出q 和h 。

下游坝壳的浸润线方程为：（三）有限深度透水地基土石坝渗流分析计算有限深透水地基上土石坝的渗流时，为简化计算，坝体内渗流仍可用上述不透水地基上土石坝的渗流计算方法确定渗流量及浸润线，坝基渗流则按有压渗流计算。

坝体渗流量与坝基渗流量之和即为总渗流量。

1、均质坝假设坝体的单宽流量为q1，坝基的渗透系数为kT ，透水地基深度为T ，单宽流量为q ′，上下游水头分别为H1和t 。

由达西定理可得地基内单宽流量q ′：将上式从上游面（x=0，y=H1）到下游面（x=L ，y=t ）积分得：)2/()(2211δh H k q c -=Lt h k q 2/222）（-=)2/(22q y h k x ）（-=LL可表示为L= L0+0.88T，式中0.88T为考虑进出口流线弯曲的影响的修正系数。

则通过坝体与坝基的总单宽流量为：2、心墙坝①地基上有混凝土防渗墙的心墙坝设心墙、砼防渗墙、下游坝壳、透水地基的渗透系数分别为kc、kD、k、kT 。

通过防渗心墙和地基砼防渗墙的渗流量为：(1)通过防渗心墙后的坝壳和地基防渗墙后的地基的渗流量为:(2)由q=q1=q2，联立求解式(1)和(2)即可得q和h 。

②地基上有截水槽的心墙坝，截水墙与心墙材料相同。

通过防渗心墙和地基截水墙的渗流量为：通过防渗心墙后的坝壳和地基截水墙后的地基的渗流量与地基中有混凝土防渗墙的心墙坝相同。

6m高堆石坝坝体内的紊流渗流——现场测量、解析法和数值模拟求解沈静;崔弘毅;李涛【摘要】在挪威北部进行了一系列关于渗流、稳定和溃坝的现场试验,这些试验在不同材质的一系列土石坝中进行.其中一座均质堆石坝,长35 m,高6.3 m,坝顶宽2.8 m,在坝体内发生了紊流渗流.在假定坝体材料为各向同性的多孔介质的前提下,开发了紊流渗流的流量、浸润面的二维解析法,用CFD软件FLUENT进行了数值模拟计算,找出了最佳适配的紊流透水系数,并将解析法和数模计算的结果和现场测量的数据进行了比较.能正确预测紊流渗流是非常重要的,它是影响边坡稳定计算、颗粒冲刷和下游加固措施的重要因素.【期刊名称】《大坝与安全》【年(卷),期】2011(000)006【总页数】5页(P52-56)【关键词】紊流渗流;溃坝;试验;数值模拟;解析法【作者】沈静;崔弘毅;李涛【作者单位】国家电力监管委员会大坝安全监察中心,浙江杭州310014;国家电力监管委员会大坝安全监察中心,浙江杭州310014;国家电力监管委员会大坝安全监察中心,浙江杭州310014【正文语种】中文【中图分类】TV7371 简介斯堪的纳维亚（斯堪的纳维亚是指丹麦、挪威、瑞典和冰岛）的许多土石坝都是在30～50年前建造的，为此其水电行业正在努力提高大坝的安全水平，而对大坝进行安全评价和翻新是其中非常重要的一部分。

以此为背景，在挪威北部开展了一项关于土石坝渗流形态、稳定和破坏机理的研究，这项研究课题也是欧共体（EC）正在进行的关于极限洪水过程和不确定性调查的研究计划（IMPACT）中的“大坝的稳定与破坏”研究的重要组成部分。

这个项目于2001年秋天启动，为进行现场试验，在挪威北部Mo i Rana镇附近的的Røssåga河上先后建造了一系列高6 m、坝顶长36 m的试验坝。

这些土坝由不同材质筑成，包括堆石、砾石和粘土，坝型有均质坝和冰碛土心墙坝。

大部分坝最后完全失事了，但试验是分阶段进行的，以取得材料特性、允许渗流量等数据。

面板堆石坝变形与渗流安全指标郑志太，吴金荣(华电宁德电力开发有限公司，福建 宁德 352100)Safety Index on Deformation and Seepage of Qinshan CFRDZHENG Zhitai, WU Jinrong(Huadian Ningde Electric Power Development Co., Ltd., Ningde 352100)〔摘 要〕 混凝土面板堆石坝的坝体变形及由此引起的混凝土面板开裂、坝体渗漏和渗流破坏等问题，是直接影响到大坝安全的关键因素，长期以来，工程界对于混凝土面板坝的变形与渗流安全控制指标尚无统一的标准，依托福建芹山混凝土面板堆石坝的运行状况，开展了混凝土面板堆石坝变形与渗流安全指标体系研究，提出了以堆石体内外变形(尤其外部变形)和坝后渗漏量判断面板工作状态的方法。

〔关键词〕 混凝土面板；混凝土面板堆石坝；渗流；安全指标Abstract :Deformation of rockfill and the problems caused by it, such as cracking of concrete face slab, leakage and seepage damage, etc. are the major concerns on dam safety. For a long time, there are no well accepted standard for the safety index of dam deformation and seepage. Based on the operation of Qinshan CFRD, the studies on deformation and seepage safety index system of CFRD are conducted. The methods for assessing safety status of CFRD via rockfill deformation (especially the external deformation) and measured leakage are put forward.Key words :concrete face slab; CFRD; seepage; safety index 中图分类号:TM08 文献标识码:A 文章编号:1008-6226 (2020) 08-0061-05板开裂。

渗流计算及渗流稳定分析
一、计算情况
根据《碾压式土石坝设计规范》有关规定，计算组合情况如下：
1、上游正常水位177.84米,下游无水;
2、上游设计洪水位180.57米,下游无水;
3、上游1/3坝高水位174米,下游无水
二、计算参数
坝体渗透系数Ko=3.3×10-6m/s,坝基Kt=3.0×10-6m/s
采用解析法计算成果见下图:
图1 桐峪沟水库大坝渗流安全计算图
三、防渗工程措施
计算结果如上图，由于计算出逸坡降大于允许坡降J=0.4，采取
工程措施,下游坝脚采取贴坡排水, 排水体顶按规范要求高于最高出逸点0.5米，即173.2米高程。

坝坡稳定计算及稳定分析
一、计算工况
根据有关规范，土石坝施工、建设、蓄水和库水位降落的各个时期不同荷载下，应分别计算其稳定性。

控制稳定的有施工期（包括竣工期）、稳定渗流期、水库水位降落期和正常运用遇地震四种情况。

二、计算参数
见下表
三、计算成果及分析
计算成果见下图,所示，经计算，各种工况下均满足设计要求。

图表 2 桐峪沟水库大坝上游坝坡抗滑稳定计算图
图表 3 桐峪沟水库大坝上游坝坡抗滑稳定计算图。

混凝土面板堆石坝设计及溢洪道设计目录摘要..................................... 错误!未定义书签。

Abstractﻩ错误!未定义书签。

前言ﻩ错误!未定义书签。

第一章工程概况......................... 错误!未定义书签。

1。

１枢纽任务ﻩ0１。

2 自然地理与水文特性气候ﻩ错误!未定义书签。

１。

２。

1 流域概况................ 错误!未定义书签。

1．２。

2气候特性ﻩ错误!未定义书签。

1。

2。

3 水文特性................... 错误!未定义书签。

１。

3 工程地质及水文地质ﻩ错误!未定义书签。

1.3.1工程地质...................... 错误!未定义书签。

1.3。

2水文地质ﻩ错误!未定义书签。

1．３．３地震烈度.................. 错误!未定义书签。

1。

４建筑材料......................... 错误!未定义书签。

1。

5经济资料及其他.................... 错误!未定义书签。

第二章设计标准及依据ﻩ错误!未定义书签。

２。

１设计依据 (4)２.2 设计标准....................... 错误!未定义书签。

第三章枢纽布置......................... 错误!未定义书签。

３.１坝轴线选择..................... 错误!未定义书签。

３。

2 坝型选择...................... 错误!未定义书签。

第四章大坝设计.......................... 错误!未定义书签。

4。

1 大坝剖面尺寸拟定................ 错误!未定义书签。

４．1。

１坝顶高程计算........... 错误!未定义书签。

4.1。

2 坝顶结构ﻩ错误!未定义书签。

4.1。

3 坝高确定.................. 错误!未定义书签。