土石坝放水涵管在不同工况下的渗流分析

水利技术监督

工程实践

DOI

： 10. 3969/j. issn. 1008-1305. 2019. 01. 058

土石坝放水涵管在不同工况下的渗流分析

王亚辉

(北票市龙潭水库管理处，辽宁北票122124)

摘要：以有限元软件ABAQUS为工具，研究了坝下涵管有无截水环和截水环处在什么位置对坝体渗流的影响。 在涵管无截水环、涵管有两个截水环但不与斜墙交接和涵管有两个截水环但任一截水环与斜墙交接3种工况下， 对渗流速度、孔压和渗透坡降3个指标对渗流场的影响程度进行了分析，得出了在涵管与斜墙交接的位置布置截 水环的建议，对实际工程提供了理论依据。关键词：ABAQUS;截水环；涵管中图分类号：TV223 文献标识码：B 文章编号：1008-1305(2019)01-0200-03土石坝在实际工程中的应用非常广泛，它具有 施工简便、工程造价低、可就地取材等很多优点， 随着土石坝的普遍应用，在工程建设方面占据着很 重要的地位。坝下涵管由于位置较为隐蔽，常造成 突发性灾害，且抢险难度较大，涵管问题的出现主 要是由设计、施工和管理等原因造成的。

在20世纪的50—70年代，我国处在大力发展 工程建设的阶段，由于缺少精准的设计图纸和专业 的施工队伍，使工程整体质量降低，坝内涵管出现 了很多的渗漏问题。近年来在很多新建的土石坝中 也出现了坝下涵管渗漏的现象，而坝下涵管的防渗 又关系到土石坝的整体稳定，可知坝下涵管的渗漏 问题在土石坝中仍然是急需解决的问题[1_6]。1

基于A

BAQUS

表1。

表1计算模型材料参数

性模量密度p渗透系数泊松比凝聚力摩擦角参数弹

cm/s)VA/kPa,(c

材米\\@/Pa/(kg/m3)D/(

517. 15 x10~50.301坝体填土3.6 x10619007. 18 x1061900斜墙填土5. 0 x 107地基土7

2100

.353.0 x10\"50.251.0 x10~60

0. 16

2230

1726

. 8 x 10102500坝下涵管2

(2)计算工况分3种。①涵管无截水环布置;

②涵管有两个截水环，截水环不与斜墙交接；③涵 管有两个截水环，任一截水环与斜墙交接。

1.2不同工况条件下的渗流分析

大坝类型为黏土斜墙土石坝，如图1所示。大 坝具体参数如图中所示，为了研究坝下涵管周围渗 流场的渗流情况，建立了坝体与截水环渗流的 模型。

A

渗流分析方法在土石坝中

的应用

11工程概况及计算模型 1.1.1 工程概况

本论文研究的土石坝，主河道长度为0.71km， 流域面积0.288km2，坝顶高程为83. 7m。坝址含 有淤泥质黏土、壤土、黏土和细沙，是一个综合性 质的小型水利工程，同时具有灌溉、防洪和养殖的 作用，设计灌溉耕地面积为800亩。1.1.2计算模型

(1)模型材料参数。主要研究坝下涵管截水

环在不同位置时渗流场的变化规律。选取Mohr-

Coulomb模型，埋管采用的是线弹性模型，所需 的模型参数根据经验获取，计算模型材料参数见

• 200 •

收稿日期：2018-07-19

作者简介：王亚辉（1975年一），女，工程师。

工程实践

水利技术监督

2019年第1期

1. 2.1 涵管不设截水环坝体渗流分析

本文使用A

BAQUS

有限元软件对涵管渗流

进行模拟分析，考虑到坝体岸坡的非重要性和 软件运算效率的问题，只对坝体本身和地基层 进行了有限元模拟，得到的孔隙水压力云图如 图2所示。

u:POR:I:

g:3::i:i08?;l三*8.II75:-2,4二忠!:s:s?二-.l2:31

1:sl丨

-2.0

;s!

-3.11 57l6:s?4

1::3136

分lncrtm«nt 析贫：Stap-l

I6: SttpTim* - 10-00窪S啪l查! 1P:OUR变形进玫系K:*l.〇〇t)鼸♦〇〇

图2渗流孔隙水压力云图

因为坝下涵管和坝体土料之间的接触为土体和 刚体接触，所以在该接触面位置很容易产生集中渗

流出口，因此在分析中我们应该着重关注涵管周围 土体的渗流流速、渗流孔压和渗透比降等变量。现 将涵管顶部的中心线从上游到下游为路径，周围土 体的孔隙水压力如图3所示。

图3涵管顶部土体孔隙水压力变化图

由图3可以看出，涵管周围土体的孔隙水压力 总体上呈现从上游至下游逐渐减小的趋势。

又针对涵管顶部的渗流流速，将涵管顶部中心 线位置处从上游至下游的位置处的渗流流速如图4 所示。

由达西定律可知，土体的渗透流速和渗透比降 呈正比例的关系，可得土体的渗透坡降为。所以土 体的渗透坡降和渗流流速有很大的关系，可得宦官 顶部的土体渗透坡降如图5所示。

从图4能够看出，涵管顶部位置的渗流流速总 体上呈现增大的趋势，但是其增大的趋势并不是一

图4涵管顶部渗流流速变化图

图5涵管顶部土体渗透坡降变化图

成不变的，增大的速率在一定范围内保持稳定，接 着速率发生变化，土体的渗流速度在下游的末端达 到最大值。从图5得出，涵管顶部的土体渗透坡降 符合“上截下排”的规律，总体上呈现从上游至下 游逐渐增大的趋势，在出水口的位置渗透坡降达到 最大值，所以在下游位置为了防止渗透破坏常常布 置反滤层。

1.2.2两截水环与斜墙均无交接时渗流场分析 根据达西定律可得，涵管顶部的土体渗透坡降 如图6所示。

图+斜墙交接处无截水环时涵

管顶部渗透坡降曲线图

如图6所示，渗透坡降在截水环处出现较大的 波动，涵管周围土体在坡降变化方面总体上呈现逐 渐增大的趋势，并且，在25m涵管下游的部分， 土体的渗透坡降速率明显增大。

• 20卜

2019年第1期

水利技术监督

工程实践

大坝坝体内共布置14根涵管（每根涵管3米）。 考虑到了大坝上游的坝坡比为1:2. 5，于是从防渗 体外第一根涵管处开始布置截水环（数量为2个）， 布置在涵节中间。涵管顶部土体从上游至下游渗流 流速如图7所示。可知涵管周围的土体在涵管顶部 中心线从上游至下游总体上呈现逐渐增大的趋势， 这能说明为了防止集中渗流现象的发生，在涵管周 围采取适当的措施是很有必要的。

在涵管方向上，增加涵管的截水环数量，从第 3根涵管开始，将截水环布置在涵管的中间，涵管 顶部土体中的孔隙水压力图如图8所示。可知布置 了截水环的涵管，其周围的土体的渗流孔压在涵管 顶部中心位置处从上游至下游总体上呈现逐渐减小 的趋势。

1.2.3任一截水环与黏土斜墙交接时渗流场分析为了更好的分析交接处截水环对渗流场的影 响，决定将两个截水环中的一个布置在斜墙和涵管 的交接位置处。为了能够更好的比较交接处截水环 的作用，得到任一截水环与黏土斜墙交接时的渗流 流速如图7所示。

图7任一截水环与黏土斜墙交接时

涵管顶部渗流流速对比图

图7中，系列1代表斜墙与涵管交接处没有截 水环时涵管顶部的渗流速度，系列2代表的是斜墙 与涵管交接处布置截水环时涵管顶部的渗流速度。 图中可以看出，两个曲线的变化规律总体上呈现相 似的规律，在截水环的位置处渗流流速都出现了明 显的变化，截水环的布置，能够减小渗流的速度， 并且在下游的部位布置截水环对坝体的整体稳定起 到一定的作用。

将增加截水环前后的孔压数据绘制成曲线图， 如图8所示。

• 202 •

图1任一截水环与黏土斜墙 交接时涵管顶部渗流孔压

图8中，系列1代表的是斜墙与涵管交接处没 有截水环时的孔压变化，系列2代表的是斜墙与涵 管交接处布置截水环时的孔压变化；从图中可以很 明显的看出，系列1和系列2相似程度很好，基本 上达到重合的效果，可见在斜墙与涵管交接处布置 截水环对涵管周围土体的孔压几乎不产生影响。斜墙与涵管交接处布置截水环前后涵管周围土 体的渗透坡降图如图9所示。

图K斜墙交接处有截水环时涵管顶部

渗透坡降曲线对比

由图9中可以看出，在斜墙与涵管的交接处布 置截水环，使得渗透坡降明显降低，在截水环的位 置渗透坡降都出现了明显的波动，可知在斜墙与涵 管的交接处布置截水环对渗透坡降有很好的效果。1.3 三种工况下渗流场分析对比

本文主要针对坝下涵管周围土体渗流场的渗流 速度、孔压和渗透坡降三方面进行研究，将涵管无 截水环、有两截水环不与斜墙交接和任一截水环与 斜墙交接的3种工况进行分析，得出渗流流速、孔 压和渗透坡降的规律如图10—12所示。

(下转第231页）

工程实践

水利技术监督

2019年第1期

元素作为水生生态系统中两种非常重要的营养限制 因子，其通过内源释放的氮磷营养物如果过大，也 会对该水域中的生态环境造成非常大的影响，这也 就导致了即便外源污染物得到了有效的控制，河流 依旧处于富营养状态。通过清淤疏浚的模式能够将 富含有污染物的底泥在水体中永久性的清除出去， 并能够对内源污染物进行有效的控制效果，因此在 现阶段的河道湖库治理工程中得到了较为广泛的应 用。通过清淤疏浚的模式来进行内源氮磷负荷的有 效控制，效遏制内源污染的释放，对该区域内水生 生态系统的修复有着一定的积极意义，在太湖、西 湖等多个河道治理工程中也均获得了良好的应用 效果。3

结语

技术联用物理、化学修复技术等多种模式，以获得 良好的污染水体修复效果。

参考文献

[1] 吴虹兴，蒋坤良.生态修复技术在河流治理中的应用研究[：. 浙江水利科技，2008 (05 ): 4-6.[2] 黄惠玲.中小河流治理技术研究及生态修复探讨[：.黑龙江水 利科技，2017(09): 68-69, 83.[3] 李小平，王影，韩会生.东北地区中小河流治理及生态修复设 计关键技术探究[C]. 2014第六届全国河道治理与生态修复技 术交流研讨会论文集.中水东北公司，2014+ 210-216.[4] 林俊强，陈凯麒，曹晓红，等.河流生态修复的顶层设计思考

[:].水利学报，2018(04): 483-491.[5] 谭淑妃.几种富营养化水体生态修复技术的比较[:].中国水运

(下半月），2016(07): 113-116.[6] 姜霞，王书航，张晴波，等.污染底泥环保疏浚工程的理念•应 用条件.关键问题[:].环境科学研究，2017(10): 1497-1504.[7] 陈邱云，王谊.城市中小河道污染治理措施探讨[：.中国水运

(下半月），2013(03): 67-69.[8] 张晓红，宋肖锋，蔡国强，等.生态修复综合技术在杭州虾龙圩 河的应用[：.环境工程学报，2012(12): 4535-4542.[9] 杨玲，邓卓智，周志华.北京市城市河流生态治理小结及建议

[:].水利规划与设计，2014(08): 6-9.[10] 王元春.生态护坡在中小河流治理工程中的应用[：.水利规

划与设计，2016(04): 42-44.

生态修复技术在河流治理过程中有着非常重要

的应用价值，在近年来的河流治理工作中也获得良 好的生态修复效果，但是在实际应用过程中还存在 有比较多的问题，其实用性与待处理水体环境中的 微生物生态有着非常紧密的关联性。因此各环保部 门不仅要加强生态修复技术的研究力度，还需要加 强污染水体中环境生态的研究工作，采用生态修复

(上接第202页）

管顶中心线从上游往下游的距离/m

管顶中心线从上游往下游距离/m

图10不同工况时渗流流速

图10—12中，系列1代表涵管无截水环的工 况，系列2代表有两个截水环但是截水环不与斜墙 交接的工况，系列3代表任一截水环与斜墙交接工 况。从3个图中可以看出：在斜墙交接位置布置截 水环能够使渗流场更加稳定，有利于坝体的整体稳 定；截水环对涵管周围土体中的孔隙水压力基本上 不产生任何影响；截水环对涵管周围土体的渗透坡

图11 不同工况时孔隙水压力

降起到一定的作用，并且周围土体的渗透坡降呈现 的规律变化与渗流流速基本一致。&

结语

本文利用有限元软件ABAQUS，研究坝下涵管 处有无截水环和截水环不同位置处对涵管周围土体 的渗流影响，主要研究内容如下：（下转第242页）

• 231 •

2019年第1期

水利技术监督

工程实践

水流跌落现象逐渐消失，部分阶梯空腔消失，在角 隅出现沿泄流方向旋滚的水体，部分阶梯处空腔仍 旧存在，此时，阶梯切线上层可见一层乳白色的水 汽混合体，与阶梯角隅处水体很好的融合如图3 (b)所示。当流量为6.70m3/s左右，阶梯角隅处空 腔都消失，可见稳定的水体旋滚，此时过渡水流开 始向滑行水流过渡。

当水库洪水超过5年一遇（J=25.4m3/S)，溢 洪洞下泄流量达到26. 40m3/+时，整个阶梯段为完 全滑行水流如图3(_所示。阶梯沿程上段可见明 显的清水区、掺气发展区（阶梯角隅处有顺时针方 向水体旋滚）和掺气均匀区（顺时针方向的旋滚尺 度加大，上层水体呈现为乳白色的水气混合流）。综上所述，常遇洪水在阶梯上形成跌落水流或 过渡水流所对应的流量值均较小，对阶梯的安全稳 定运行不构成威胁。4

结语

根据坝口河水库水工模型试验研究，得出如下 结论：在第一泄槽段增设阶梯后，消能防冲洪水 时，阶梯能够有效消减水体能量，消能率达到 52.67%，消力池进口流速下降至13. 01m/+，原有 消力池体型能够满足水流平顺要求；即使在校核洪

水时，消能率仍可达到42. 86%。此外，坝口河水 库溢洪洞阶梯跌落水流和过渡水流的界限值为 1.24m3/s;流量6.70m3/+时，过渡水流开始向滑 行水流过渡；流量超过26. 40m3/+后，阶梯上形成 完全的滑行水流。

增设阶梯后，溢洪洞第一泄槽段消能效果明 显，有效减轻了出口消力池内水体紊动，使消能后 水流含气量降低，对下游河道具有明显的生态 效益。

参考文献

[1] 郑秋文，陈芝宇.阶梯消能工研究综述[：•吉林水利，2015

(08) ： 21-25 +28.[2] 程文磊，杨庆，昌子多.阶梯溢流坝在左桕水库中的应用试验 研究[J].水力发电，2018, 44(01): 106-109.[3] 戚建林.阶梯消能工在溢洪洞设计中的合理应用[J].中国水 运，2015, 15(09): 210-212.[4] 陆芳春，徐岗，施林祥，等.阶梯式消能工在石壁水库工程中的 应用研究[J].浙江水利科技，2006(01): 3[5] 田嘉宁，李建中，大津岩夫，等.台阶式溢洪洞的消能问题[J]. 西安理工大学学报，2002(04): 346-350.[6] 张华群，邱勇，胡朝英，等.泄洪洞突扩式跌坎底流消能研究与 应用[J].水利规划与设计，2018(04): 163-166.[7] 董杰英，杨宇，韩昌海，等.鱼类对溶解气体过饱和水体的敏感 性分析[J].水生态学杂志，2012, 33(03): 85-89.

(上接第231页)水环的建议，对实际工程提供理论依据。

参考文献

[1] 胡勤.浅析小型水库坝下涵管险情原因与防范措施[J].江西水 利科技，2011(09).[2] 柴军瑞，徐维生.大坝工程渗流非线性问题[M].北京：中国水 利水电出版社，2010.[3] 吴瀚.截水环对涵管周围渗流场影响分析[J].中国水能及电气 化，2016(09).[4] 费康，张建伟.ABAQUS在岩土工程中的应用[M].北京：中国 水利水电出版社，2013.[5] 王金昌，陈页开.ABAQUS在土木工程中的应用[M].杭州：浙

管顶中心线从上游往下游的距离/m 江大学出版社，2006.图12不同工况时渗透坡降[6] 吴定勇.基于有限元法的大坝渗流及稳定分析研究[8].昆明

工大学，2010.(1) 本文基于涵管无截水环、涵管有两个截水 理[7] 贾连杰，范尧，郭庆华，等.已建水库工程地质勘察技术问题与

环但是不与斜墙交接和两个截水环中任一个截水环

对策[：.水利规划与设计，2016(10): 8-10 + 19.

与斜墙交接3种工况，对3种工况下的渗流速度、

[8] 吕南.浅谈小水库输水涵洞出险加固设计[J].水利技术监督，

孔压和渗流坡降3个指标在涵管周围土体的变化。2017(04): 117-118 +124.

(2) 比较3个指标对3种工况下防渗效果的影 [9] 韩英.髙水材料在均质土石坝输水涵回填中的应用研究[J].水

利技术监督，2018 (01): 93-94 + 156.响程度，提出了应该在涵管与斜墙的交界处布置截

• 242 •