混凝土重力坝坝基排水孔排渗作用单因素分析

摘要：处理混凝土重力坝地基强度和变形等诸多问题的同时还需做好渗流控制这项关键工作，坝基排水孔物理参数较多，这些参数对排水孔所起排渗作用影响各有不同。在渗流理论、电拟法基础上用数值模拟方法分析坝基渗流场的分布情况，得出坝基排水孔深度、孔间距等因素对渗流场的影响规律，指出了坝基排水孔深度、孔间距等物理参数的合理设计原则。

关键词：混凝土重力坝；渗流；数值模拟。

中图分类号：TU46 文献标识码：A

混凝土重力坝常用的坝基渗控措施，有灌浆帷幕这一防渗措施，还有排水孔幕这一排渗措施，即在坝基渗流场中布设一排或多排溢流式排水孔，使坝基中高压渗透水流通过排水孔幕疏导，溢流进廊道设的集水井再由排水泵抽排至河道下游，以此消杀坝基扬压力（空隙水压力），增强坝体的安全性。排水孔幕参数较多，以往设计都是采用折减系数或经验公式考虑排水孔幕的排渗作用。日本专家大长昭雄、P・隆德采用电拟法探索渗流场分布情况[1]，本文尝试采用基于有限体积法的数值模拟方法探索排水孔幕物理参数改变时渗流场分布情况。

1. 渗流场数值模拟理论基础

本文针对压力差为定值的二维和三维稳定渗流场进行数值模拟分析。

1.1渗流基本定律――达西定律

（1）

式中:Q为渗流量，v为流速，h为测压管水头，A为过水断面面积，K渗透系数。

达西定律上限临界雷诺数Re在1~10之间，多取Re=5，下限为终止于粘性土中微小流速的渗流[2]。自然状态细裂隙岩体渗流符合层流规律，可按达西定律处理问题[3]。

1.2渗流基本微分方程

不可压缩介质渗流的基本微分方程[4]：

渗流场各向同性时则变为拉普拉斯方程（2）

结合已知边界条件可求某点未知水头h。

2. 坝基排水孔深度影响因素分析

本节将探寻排水孔深度与坝基扬压力（空隙水压力）和渗流量的关系。为便于对结果进行定性分析，文章在F/F0和Q/Q0之值的基础上进行分析研究。

2.1 模型建立及参数选取

图1 坝基渗流场区域示意图

对排水孔深度、孔径影响因素进行数值模拟时，渗流场按二维计算，取河床中央垂直坝轴线的剖面区域为渗流场分析区域，坝基岩层按深隔水层（T=100m）计算，计算区域长度按坝建基面长加2倍的坝前水深确定（60+2×80=220m），直角坐标系建在坝踵位置处，x轴正向与水流方向一致，y轴正向铅直向上，渗流场区域示意图如图1。

在对排水孔深度因素进行分析时，排水孔间距取为4m，孔径Φ取为15cm，排水孔中心线到坝踵距离取为20m，孔口上端溢出口水位为重力坝建基面以上4 m，深度分别取10 m，20 m，30 m，40 m，50 m，80 m，100 m，采用边长为0.5m的四边形网格对二维区域进行单元剖分，多孔介质区域渗透系数及粘性阻力系数的选取如下：

水平方向：

K水平=5×10-6m/s； 1/ａ=1.94×1012/m2

垂直方向：

K垂直=2.5×10-6m/s；1/ａ=3.88×1012/m2

2.2 渗流场数值模拟结果

排水孔孔壁和坝基岩体接触部位按区域内部边界处理，对深度因素不同水平值下的渗流场用Fluent进行数值模拟。收敛后坝基渗流场等压线图如图2，流线图如图3，压力和速度散点图如图4。

a).排水孔深10m渗流场等压线图

b).排水孔深50m渗流场等压线图

图2 排水孔不同深度时渗流场等压线图

a).排水孔深10m坝基渗流场流线分布图

b).排水孔深50m坝基渗流场流线分布图

图3 排水孔不同深度时坝基渗流场流线图

a).排水孔深30m重力坝建基面压力散点图

b).排水孔深30m排水孔中心线处铅直剖面上流速散点图

图4 坝基渗流场渗透压力和速度散点图

F/F0和Q/Q0随排水孔深度关系曲线如图5。

a).F/F0与排水孔深度变化关系曲线

a).Q/Q0与排水孔深度变化关系曲线

图5 渗流场扬压力、渗流量与排水孔深度关系曲线

2.3 数值模拟结果分析

①孔深度10m时扬压力F/F0的比值降至0.559左右，设置排水孔后扬压力明显降低，并且随排水孔深度的增加扬压力逐渐减小。

②孔深度10m时渗流量Q/Q0的比值为1.66左右，设置排水孔使得渗流量明显增加，并且随排水孔深度的增加，渗流量逐渐增大。

③据各曲线走势，排水孔深度在20m~40m范围内增加时，对扬压力和渗流量的影响效果是很明显的，排水孔深度达到50m以后，曲线变的较为平缓，排水孔深度的增加对排渗效果影响不太显著。此现象说明排水孔的深度对排渗效果的影响是有限的，对于不同情况存在一个合理深度，不能盲目地增大排水孔深度来控制坝基渗流。

3.1 三维模型建立及参数选取

渗流场三维模型如图9，区域长220m（建基面长加2倍的坝前水头），深100m(透水层厚度)，厚度为排水孔间距的一半。区域一个剖面沿水流方向从排水孔中心剖分，图9 有排水孔时坝基渗流场三维模型示意图

边界条件设置为水力对称面[6]；另一个剖面从两排水孔中间位置处剖分，边界条件设置为墙。取排水孔上端溢出口水头为坝建基面上4m，建基面和排水孔所交平面为已知水头的压力出口边界。

3.2 三维模型数值模拟结果

对于三维多孔介质区域在指定方向矢量时，第一个方向矢量为（0，-1，0），即坐标系统中垂直向下的单位矢量；第二个方向矢量为（1，0，0），在三维坐标系中为沿X轴正向的单位矢量。结合前两节分析结果本节排水孔深取为30m，Φ取为15cm分别对排水孔间距2m，4m，6m，8m，10m的工况进行渗流场的数值模拟，结果如下：

图11 三维坝基渗流场等压线图

a).重力坝建基面上扬压力沿X轴分布散点图

b).排水孔所在位置横剖面上速度散点图

图12坝基渗流场渗透压力和速度散点图

a).F/F0与排水孔间距变化关系曲线

b).Q/Q0与排水孔间距变化关系曲线

图13 渗流场扬压力、渗流量与孔间距关系曲线

3.2 数值模拟结果分析

孔间距由2m增至10m，F/F0变化范围0.404~0.484，Q/Q0变化范围 2.075~1.87。排水孔间距对坝基渗流场的影响规律如下：

① F/F0曲线上升说明扬压力随排水孔间距的增加而增大，成线性比例关系（排水孔间距每增2m，F/F0比值增0.02）。Q/Q0曲线下降说明渗流量随排水孔间距的增大而减小。

②分析F/F0和Q/Q0随间距变化幅度（间距每增加2m，F/F0增加0.02），可知幅度较小。

所以，应据具体渗流量和扬压力控制要求确定排水孔间距。完全排水孔，应缩短孔间距加密布置；不完全排水孔，可加大排水孔间距。推荐方案：开始取较大排水孔间距，等坝工建筑物运行后，据观测的渗流状况（渗流量、测压管水头）进行后期调整，如有必要再在较稀疏的排水孔间补加排水孔。

4. 结论

土石坝坝基中设置排水孔主要为防止较大渗流量对坝体本身和地基软土造成冲刷或管涌破坏，建筑在岩基上的混凝土重力坝坝基中设置排水孔，主要为疏导坝基渗透水流、降低空隙水压力，以防止其对大坝和岩体造成威胁。文章采用数值模拟法，借助基于有限体积法的Fluent流体计算软件，对有排水孔的坝基渗流场进行模拟。分析排水孔作用的单因素在不同水平时坝基渗流场分布情况知：排水孔深度增加会引起坝基渗流量大幅度增加和扬压力的逐渐降低，但帷幕达到一定深度后此效果不明显，帷幕存在一个合理深度；排水孔孔径增加对降低坝基扬压力和增加渗流量效果不明显，建议在满足排渗需要的前提下以不堵塞排水孔为标准设置排水孔孔径，不要为追求排渗效果盲目加大孔径；排水孔间距增加和坝基扬压力增大呈线性关系，间距增加也引起坝基渗流量的减少，建议工程中根据具体的渗流控制要求设置排水孔间距。

参考文献

[1] 张景秀.坝基防渗与灌浆技术（第二版）[M].北京:中国水利水电出版社,1999:55-60.

[2] 毛永熙.渗流计算分析与控制[M].北京:中国水利水电出版社,2003:128-136.

[3] 刘长礼,王秀艳.低渗透性介质孔隙水渗流规律

[J].工程地质学报.2004(12):65-67.

[4] 孔祥言.高等渗流力学[M].合肥:水利电力出版社,1999:8-11.

[5] 王福军.计算流体动力学分析―CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004:24-28.

[6] 崔文娟.基于改进遗传算法和有限元法的坝基防渗排水优化研究:[D].西安:西安理工大学,2007.