耦合作用下蓄水速度对心墙坝渗流性态的影响分析

摘要：：水库初次蓄水速度直接影响土石坝的渗流安全，水位上升使得坝体内应力场复杂多变，影响渗流性态，而忽略力场影响对渗流分析易造成偏差。基于饱和-非饱和土渗流理论，在考虑初始应力场和渗流场的基础上针对蓄水速度对渗流场的影响进行数值模拟，并对比和研究了蓄水过程中考虑和不考虑应力场影响下的渗流性态。结果表明，蓄水速度较慢时，应力对各水力要素影响不明显，提高蓄水速度，心墙上游局部存在较大的水力梯度，孔隙水压力突变并集中分布，对坝体不利，考虑应力耦合影响计算结果偏于安全。因此，初次蓄水渗流分析有必要考虑应力场的影响，并严格控制初次蓄水速度。

关键词：心墙坝；流-固耦合；蓄水速度；渗流性态

中图分类号：TV139.1 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）04-0168-07

Abstract：The initial impounding speed directly affects the seepage safety of the earth-rock dam，water rising makes the stress field of the dam complicated and changeable，it may impact seepage state，while ignoring the influence of stress field on the seepage analysis is easy to cause some deviation.Based on the saturated- unsaturated seepage theory，In consideration of the initial stress field and seepage field，analysis the influence of seepage state with different impounding speed by using numerical simulation，then compared and studied seepage behavior under the influence of stress field.The results show that at slow impounding speed，the stress has inconspicuous influence on the hydraulic factors.Increasing impounding speed then local existence of large hydraulic gradient，pore water pressure mutated and clustered，these adverse to the dam，the calculation result is safer when considering the seepage-stress coupling.Therefore，it is necessary to consider the influence of the stress field on the first water storage seepage analysis，and strictly control the initial water impounding speed.

Key words：core dam；seepage-stress coupling；impounding speed；seepage state

土石坝渗流问题长期以来为工程界所关注，由渗流引起的破坏与变形是造成土石坝失事和溃坝的主要原因之一，且渗透破坏大多数出现在蓄水初期[1-2]。水库初次蓄水时，心墙处于非饱和状态，库水位快速上升使得水流不能及时渗入心墙，形成了心墙内外的水压力突变，易引起渗透破坏[3]。美国的提堂（Teton）大坝就是由于初次蓄水时心墙坝料接触部位形成逐渐内部冲刷并发展为管涌，导致大坝决口破坏[4]；奥地利Gepatsch心墙坝在初次蓄水后坝顶出现严重的纵向裂缝、坝壳湿陷变形等现象。

以往的渗流研究中，对初次蓄水速度的影响研究较少[5-7]，着重于研究库水位变化对渗流场和应力变形等方面的影响[8-12]，而对土坝渗流场的研究往往忽略了早期施工初始应力场、渗流场及蓄水过程应力耦合作用的影响，未能反应实际状态下的渗流场。事实上，土坝施工期由于坝料初始含水率及土料受力压密变形的影响，存在较大的孔隙水压力及坝体变形，直接影响蓄水初期的渗流性态[13]。坝体应力变形与渗流之间存在复杂的耦合作用，渗流通过改变作用在土体的渗透体积力和渗透压力而改变有效应力分布，应力通过影响土体的体积应变和孔隙比而影响渗透系数，改变土体渗流流速和孔隙水压力的分布[14]。因此，有必要在研究初次蓄水速度时考虑应力场-渗流场耦合作用对坝体渗流性态的影响。

为此，本文基于饱和-非饱和土渗流理论，结合实际工程，建立了多孔介质材料的渗流场与应力场耦合分析的非线性数学模型。从孔隙水压力、渗透流速、水力梯度等方面研究，并对比不同蓄水速度下考虑和不考虑应力场影响的渗流性态，为今后类似工程的设计和运行管理提供科学合理的依据。

1 计原算理与实施

1.1 平衡方程

2.1 计算模型及概况

东谷水利枢纽工程位于江西省安福县境内的东[HJ2.25mm]谷河上，水库总库容1.257亿m3，电站装机容量16 MW，是一座以灌溉和发电为主、兼顾防洪等综合利用的大（二）型水库。工程于2009年12月基本建成并开始下闸蓄水，拦河坝采用黏土心墙坝，坝顶高程149.80 m，最大坝高67.8 m。大坝防渗心墙位于大坝中心部位，心墙材质为粉质壤土和重粉质壤土，心墙上游设过渡层、下游侧设反滤层，上下游坝壳采用石碴混合料，下游坝趾设堆石排水体，坝体最大剖面见图1。