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[摘要]本文以某水电站混凝土面板堆石坝工程为例，采用有限元计算的方法，分析面板坝垂直缝止水失效后的渗流场，研究垂直缝失效后等势线和水力坡降的分布规律及失效缝的几何尺寸对其影响情况。本文计算中面板裂缝宽度假定为Ⅱ皿量级，计算成果详尽、精确，既有定性分析也有定量指标，具有工程代表性，可以为同类工程参考。
[关键词]水电站混凝土 面板堆石坝止水
中图分类号：F284 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）05-0163-02
一、前言
近些年来，随着人们在强震、高寒、深厚覆盖层等复杂工程地质上筑坝，面板坝接缝止水结构面临新的挑战，面板坝接缝止水失效后的渗透特性广泛受到工程设计单位、科研单位的重视。张嘎等曾以公伯峡面板堆石坝为例，研究了面板出现裂缝工况下的渗流场，主要分析了在底部面板出现裂缝时，渗流量和等势线的分布规律。张晓强，卢廷浩等也曾以班多面板堆石坝为例，采用有限元方法计算分析了失效缝位置、长度、宽度等因素对浸润线和等势线的影响。但前者计算中假定的面板缝宽度较大，后者计算研究成果缺乏定量指标，都限制了其在工程中的参考和应用价值。
二、工程实况
该水电站总装机240MW，水库总库容2.68亿m3，是一个以发电为主的二等大（2）型水电枢纽工程。大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高为111m。该工程大坝与一般混凝土面板堆石坝相比具有以下特点：①坝体主堆石棱角尖锐，蓄水后主堆石流变大；②大坝高度为111m大于100m，属于一级面板堆石坝；③坝体覆盖层厚度大，最大厚度达48m；④坝址气候条件恶劣，尤其是温差大。这些因素都容易引起面板垂直缝止水结构遭到破坏，因此该工程需要研究当面板垂直缝出现止水失效后坝体坝基的渗流场及坝料的渗透稳定性，以指导工程建设运行。
三、计算模型及计算方案
3.1计算目的和计算方法
本文计算将分别建立仅包含坝体和同时包含坝体坝基的两级拟三维有限元计算模型。通过第1级模型来研究面板垂直缝止水失效后，接缝附近的渗流场分布规律，通过第2级模型来研究垂直缝失效位置、宽度对坝体坝基浸润面、等势线和水力坡降的影响，分析砂壤土覆盖的防渗作用，最后定量的分析验证本工程坝体各料区及坝基覆盖层的渗透稳定性。本文计算采用考虑三维饱和非饱和稳定渗流的有限元程序Seep3D进行，计算中垂直缝按照实体单元进行模拟，当垂直缝失效时将其渗透系数提高至主堆石的渗透系数即1.0E-3m/s，该值较垫层料的渗透系数大100倍，计算精度满足工程需要。
3.2失效缝的几何特征
结合该面板坝三维非线性应力变形计算结果和坝体特征，本文在第1级计算模型中假定失效缝的几何特征如下：①失效缝的长度均为10m；②失效缝的位置。假定了3个典型的位置，其中1号缝是指从坝基算起100m坝高处向下10m范围内的区域，2号缝是指从坝基算起58rn高处向下10m范围内的区域，3号缝是指从坝基算起10m高处向下10m范围内的区域；③失效缝的宽度。假定了3个可能的失效缝宽度，分别为1，10，30mm。在第2级模型中，失效缝的长度、位置与第1级模型中的假定相同，宽度均为0.5m。
3.3两级数值模型
考虑到缝宽和坝体尺寸相比较为悬殊，若以失效缝宽为10mm来进行单元大小的控制，那么仅仅模拟一条失效缝（10mm×150000mm×450mm）就需要1×15000×45=67.5万个单元，虽将单元的长、宽、高比适当放大，可以减少一定数量的单元，但要按照此方法来模拟整个坝体，目前的微机仍是无法承受的。同时为了提高渗流计算的精度，有限元网格的尺寸应该尽可能的小，尤其是失效部位，故笔者提出“分区模拟、等效组合”的原则，按每次研究问题的重点不同，采用两级拟三维有限元模型进行渗流计算。在第1级模型中，失效缝的宽度按照mm级来进行模拟，上、下游均为水头边界条件，左、右两侧及底侧均处理为不透水边界，同时计算模型不考虑坝基部分，这样可以大大减少一级模型单元数量，且能保证失效缝附近渗流场的计算精度。在第2级模型中，由于计算的重点是浸润面、坝体坝基的水头等势线、覆盖层的水力坡降值，而这些值的精度和渗流量特别是通过失效缝的渗流量密切相关。因此，在第2级模型中等效缝的宽度增加为0.5m，等效缝单元的边界条件改为流量边界条件，计算时将第l级模型中计算出来的通过失效缝的渗流量代入到第2级模型相应位置的等效缝区域中，这样两级模型失效缝区域和等效缝区域的总渗流量相等，可以在减小第2级模型单元数量的同时，保证该级计算模型研究重点问题的精度。
四、结果分析
4.1浸润面与渗流等势面
由于篇幅的限制其它工况的计算成果图没有给出，但给出了所有计算工况浸润面在防渗墙下游处和x=148m处的高度值。分析比较可以发现以下几点：
1）单缝失效各工况缝长一定时，在一定范围内缝宽和缝的相对位置对浸润面和壩体、坝基的水头等势面影响比较小，各工况等势面的形状和分布比较相似，浸润面的位置虽有变化，但是变化不大，仅在几米之内。这就说明，在一定范围内，缝宽及其相对位置对坝体、坝基浸润面和渗流等势面影响较小。
2）在缝宽3mm范围内，3缝同时失效时，坝体、坝基的水头等势面与单缝失效时相比，浸润面的位置虽略有升高，但变化的幅度不大1号失效缝由于其位置高、压力水头小，故而通过该失效缝的渗流量不大；3号失效缝的位置虽然较低，但上游面有3m厚的砂壤土覆盖，通过该失效缝的渗流量也不大。因此，3缝同时失效时的总渗流量和仅2号缝失效时相比较，总渗流量增加较少，没有对浸润面的高度和坝体、坝基的水头等势面造成较大的影响。
3）失效缝的长度对浸润面和坝体、坝基的水头等势面影响较大。当1号缝以下垂直缝全部失效时，水头等势面与单缝失效、3缝同时失效各工况相比较，不论坝体和坝基均变化很大，浸润面的位置也有了明显的抬高。 4.2失效缝附近区域的水头等值面
根据第一级模型的计算结果可以绘出各工况失效缝附近的水头等值面，这里仅给出缝宽30mm号缝失效时失效缝附近的水头等值面。总结分析各工况失效缝附近区域的水头等值面图可以得出下列结论：
1）在同工况条件下，失效缝附近区域水头等值面的形状与水头值的大小有关。当水头值较大时，水头等值面基本呈“槽”形，随着水头值的减小，等值面逐渐变为“球”形。这说明了失效缝的几何尺寸对失效缝附近的水头等值面形状有影响，且对高水头等值面形状的影响要较对低水头等值面形状的影响大。
2）从水头值为20m时等值面分布范围可以发现，垂直缝失效时通过垂直缝的渗流水所扩展的范围不大，没有超过单个面板的宽度，也就是说，当垂直缝宽度在30mm以内时，相邻垂直缝同时失效，失效缝附近局部渗流场不会相互影响，这也在一定程度上也说明了建模时所取的宽度基本符合计算要求。
3）在失效缝长度一定时，3条缝同时失效和单缝失效各工况，失效缝附近的水头等值面基本相同。这是因为3条失效缝相距较远，各个失效缝附近的渗流场没有产生叠加影响的缘故。
五、幾点结论
本文针对面板垂直缝出现止水失效时的工程特点，建立了两级拟三维有限元数值计算模型。通过假定垂直缝不同失效高度、宽度和长度等模拟出了数种工况并进行了有限元数值计算，归纳分析了渗流浸润面、等势面和水力坡降等与失效缝尺寸特征的关系，研究了失效缝附近的渗流场的分布情况，并对砂壤土覆盖层在非常工况下的工程作用进行了分析，得出的主要结论有：
1）垂直缝失效缝长一定、缝宽在一定范围内变化时，单缝失效、3条缝同时失效各工况，坝体的渗流浸润面和坝体、坝基等势面虽有变化但是变化不大。因此，失效缝的位置和宽度不是渗流浸润面和等势面的敏感因素，失效缝的长度对于渗流浸润面和等势面影响很大，是敏感因素。所以从设计到施工中应该采取措施控制垂直缝的失效长度。
2）垂直缝失效的位置和尺寸特征发生变化时，渗流等势面的主要差别在于失效缝下方的垫层区。其中失效缝中心正下方的垫层的水头值最大，且等势面呈“槽”形，越往下游，垫层料的水头值将逐渐减小，水头等势面也由“槽”形扩展为球形。
3）面板上游的砂壤土覆盖在垂直缝失效时可以起到“二道”防渗的作用，淤堵一定高程的失效缝，降低作用在垫层料上的水头值和渗流量。因此，设计、施工上应给予充分的重视。
[关键词]水电站混凝土 面板堆石坝止水
中图分类号：F284 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）05-0163-02
一、前言
近些年来，随着人们在强震、高寒、深厚覆盖层等复杂工程地质上筑坝，面板坝接缝止水结构面临新的挑战，面板坝接缝止水失效后的渗透特性广泛受到工程设计单位、科研单位的重视。张嘎等曾以公伯峡面板堆石坝为例，研究了面板出现裂缝工况下的渗流场，主要分析了在底部面板出现裂缝时，渗流量和等势线的分布规律。张晓强，卢廷浩等也曾以班多面板堆石坝为例，采用有限元方法计算分析了失效缝位置、长度、宽度等因素对浸润线和等势线的影响。但前者计算中假定的面板缝宽度较大，后者计算研究成果缺乏定量指标，都限制了其在工程中的参考和应用价值。
二、工程实况
该水电站总装机240MW，水库总库容2.68亿m3，是一个以发电为主的二等大（2）型水电枢纽工程。大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高为111m。该工程大坝与一般混凝土面板堆石坝相比具有以下特点：①坝体主堆石棱角尖锐，蓄水后主堆石流变大；②大坝高度为111m大于100m，属于一级面板堆石坝；③坝体覆盖层厚度大，最大厚度达48m；④坝址气候条件恶劣，尤其是温差大。这些因素都容易引起面板垂直缝止水结构遭到破坏，因此该工程需要研究当面板垂直缝出现止水失效后坝体坝基的渗流场及坝料的渗透稳定性，以指导工程建设运行。
三、计算模型及计算方案
3.1计算目的和计算方法
本文计算将分别建立仅包含坝体和同时包含坝体坝基的两级拟三维有限元计算模型。通过第1级模型来研究面板垂直缝止水失效后，接缝附近的渗流场分布规律，通过第2级模型来研究垂直缝失效位置、宽度对坝体坝基浸润面、等势线和水力坡降的影响，分析砂壤土覆盖的防渗作用，最后定量的分析验证本工程坝体各料区及坝基覆盖层的渗透稳定性。本文计算采用考虑三维饱和非饱和稳定渗流的有限元程序Seep3D进行，计算中垂直缝按照实体单元进行模拟，当垂直缝失效时将其渗透系数提高至主堆石的渗透系数即1.0E-3m/s，该值较垫层料的渗透系数大100倍，计算精度满足工程需要。
3.2失效缝的几何特征
结合该面板坝三维非线性应力变形计算结果和坝体特征，本文在第1级计算模型中假定失效缝的几何特征如下：①失效缝的长度均为10m；②失效缝的位置。假定了3个典型的位置，其中1号缝是指从坝基算起100m坝高处向下10m范围内的区域，2号缝是指从坝基算起58rn高处向下10m范围内的区域，3号缝是指从坝基算起10m高处向下10m范围内的区域；③失效缝的宽度。假定了3个可能的失效缝宽度，分别为1，10，30mm。在第2级模型中，失效缝的长度、位置与第1级模型中的假定相同，宽度均为0.5m。
3.3两级数值模型
考虑到缝宽和坝体尺寸相比较为悬殊，若以失效缝宽为10mm来进行单元大小的控制，那么仅仅模拟一条失效缝（10mm×150000mm×450mm）就需要1×15000×45=67.5万个单元，虽将单元的长、宽、高比适当放大，可以减少一定数量的单元，但要按照此方法来模拟整个坝体，目前的微机仍是无法承受的。同时为了提高渗流计算的精度，有限元网格的尺寸应该尽可能的小，尤其是失效部位，故笔者提出“分区模拟、等效组合”的原则，按每次研究问题的重点不同，采用两级拟三维有限元模型进行渗流计算。在第1级模型中，失效缝的宽度按照mm级来进行模拟，上、下游均为水头边界条件，左、右两侧及底侧均处理为不透水边界，同时计算模型不考虑坝基部分，这样可以大大减少一级模型单元数量，且能保证失效缝附近渗流场的计算精度。在第2级模型中，由于计算的重点是浸润面、坝体坝基的水头等势线、覆盖层的水力坡降值，而这些值的精度和渗流量特别是通过失效缝的渗流量密切相关。因此，在第2级模型中等效缝的宽度增加为0.5m，等效缝单元的边界条件改为流量边界条件，计算时将第l级模型中计算出来的通过失效缝的渗流量代入到第2级模型相应位置的等效缝区域中，这样两级模型失效缝区域和等效缝区域的总渗流量相等，可以在减小第2级模型单元数量的同时，保证该级计算模型研究重点问题的精度。
四、结果分析
4.1浸润面与渗流等势面
由于篇幅的限制其它工况的计算成果图没有给出，但给出了所有计算工况浸润面在防渗墙下游处和x=148m处的高度值。分析比较可以发现以下几点：
1）单缝失效各工况缝长一定时，在一定范围内缝宽和缝的相对位置对浸润面和壩体、坝基的水头等势面影响比较小，各工况等势面的形状和分布比较相似，浸润面的位置虽有变化，但是变化不大，仅在几米之内。这就说明，在一定范围内，缝宽及其相对位置对坝体、坝基浸润面和渗流等势面影响较小。
2）在缝宽3mm范围内，3缝同时失效时，坝体、坝基的水头等势面与单缝失效时相比，浸润面的位置虽略有升高，但变化的幅度不大1号失效缝由于其位置高、压力水头小，故而通过该失效缝的渗流量不大；3号失效缝的位置虽然较低，但上游面有3m厚的砂壤土覆盖，通过该失效缝的渗流量也不大。因此，3缝同时失效时的总渗流量和仅2号缝失效时相比较，总渗流量增加较少，没有对浸润面的高度和坝体、坝基的水头等势面造成较大的影响。
3）失效缝的长度对浸润面和坝体、坝基的水头等势面影响较大。当1号缝以下垂直缝全部失效时，水头等势面与单缝失效、3缝同时失效各工况相比较，不论坝体和坝基均变化很大，浸润面的位置也有了明显的抬高。 4.2失效缝附近区域的水头等值面
根据第一级模型的计算结果可以绘出各工况失效缝附近的水头等值面，这里仅给出缝宽30mm号缝失效时失效缝附近的水头等值面。总结分析各工况失效缝附近区域的水头等值面图可以得出下列结论：
1）在同工况条件下，失效缝附近区域水头等值面的形状与水头值的大小有关。当水头值较大时，水头等值面基本呈“槽”形，随着水头值的减小，等值面逐渐变为“球”形。这说明了失效缝的几何尺寸对失效缝附近的水头等值面形状有影响，且对高水头等值面形状的影响要较对低水头等值面形状的影响大。
2）从水头值为20m时等值面分布范围可以发现，垂直缝失效时通过垂直缝的渗流水所扩展的范围不大，没有超过单个面板的宽度，也就是说，当垂直缝宽度在30mm以内时，相邻垂直缝同时失效，失效缝附近局部渗流场不会相互影响，这也在一定程度上也说明了建模时所取的宽度基本符合计算要求。
3）在失效缝长度一定时，3条缝同时失效和单缝失效各工况，失效缝附近的水头等值面基本相同。这是因为3条失效缝相距较远，各个失效缝附近的渗流场没有产生叠加影响的缘故。
五、幾点结论
本文针对面板垂直缝出现止水失效时的工程特点，建立了两级拟三维有限元数值计算模型。通过假定垂直缝不同失效高度、宽度和长度等模拟出了数种工况并进行了有限元数值计算，归纳分析了渗流浸润面、等势面和水力坡降等与失效缝尺寸特征的关系，研究了失效缝附近的渗流场的分布情况，并对砂壤土覆盖层在非常工况下的工程作用进行了分析，得出的主要结论有：
1）垂直缝失效缝长一定、缝宽在一定范围内变化时，单缝失效、3条缝同时失效各工况，坝体的渗流浸润面和坝体、坝基等势面虽有变化但是变化不大。因此，失效缝的位置和宽度不是渗流浸润面和等势面的敏感因素，失效缝的长度对于渗流浸润面和等势面影响很大，是敏感因素。所以从设计到施工中应该采取措施控制垂直缝的失效长度。
2）垂直缝失效的位置和尺寸特征发生变化时，渗流等势面的主要差别在于失效缝下方的垫层区。其中失效缝中心正下方的垫层的水头值最大，且等势面呈“槽”形，越往下游，垫层料的水头值将逐渐减小，水头等势面也由“槽”形扩展为球形。
3）面板上游的砂壤土覆盖在垂直缝失效时可以起到“二道”防渗的作用，淤堵一定高程的失效缝，降低作用在垫层料上的水头值和渗流量。因此，设计、施工上应给予充分的重视。