土石坝防渗墙位置及厚度对大坝渗流的影响摘要在土石坝防渗中，常采用倒悬挂式防渗墙。

本文通过有限单元法对不同位置和不同厚度防渗墙的土石坝进行渗流计算，计算共包括5种工况，分析防渗墙位置及厚度对大坝渗流量及下游出逸坡降的影响。

由计算结果可以得出，防渗墙位置和厚度的变化直接影响到防渗墙的防渗效果，它们之间的联系可供设计人员参考。

关键词土石坝；防渗墙；渗流；有限元
中图分类号tu4 文献标识码a 文章编号 1674-6708（2011）47-0186-02
0引言
在土石坝设计中，常常采用倒悬挂式防渗墙来有效控制渗流量和减少下游出逸坡降。

而防渗墙位置和厚度的确定直接影响到防渗墙的防渗效果，且对大坝安全和工程效益有着重要影响。

本文通过对不同位置和不同厚度防渗墙的土石坝进行渗流计算，比较各方案下的渗透水头和渗流量，分析防渗墙位置和厚度变化对大坝渗流的影响，从而为工程设计提供参考依据。

1渗流有限元概述
有限元法在渗流分析中，通过连续区域的离散化、插值函数的选择可推导出矩阵方程，然后组合各单元的渗透矩阵集合，可形成整个渗流区的总渗透矩阵方程。

对于无源汇和各向异性二维稳定渗流场，其基本微分方程可表示为：（1）式中：h为水头；kx，ky分
别为x、y方向上的渗透系数。

此微分方程的定解条件（边界条件）为：
1）定水头边界：当渗流区域的某一部分边界上的水头已知时，边界条件为:
2）定流量边界：当渗流区域的某一部分边界上的法向流速已知时，边界条件为：
由变分原理，式（1）的定解问题等价于式（2）能量泛函的极值问题。

对计算区域进行离散化，并对每个单元水头插值，最终得到有限元法求解渗流场的方程组为：（3）
式中为整体渗透矩阵；为待求的结点水头向量；为常数项列阵，可由已知边界条件得到。

求解总体方程组（3），就可以得到各结点的水头值。

进而可求得相应的水力比降和渗透流量。

2工程算例
某土石坝最大坝高80m，坝顶宽8m。

坝前水深75m，坝后水深10m，坝前坡度为1：1.4，坝后坡度为1：1.5。

坝踵向上游，坝址向下游以及河床向下分别为一倍坝高，坝基长为400m(即
ab=cd=ae=df=80m，ef=400m)。

坝体坝基渗透系数为0.006cm/s，防渗墙渗透系数为0.00002cm/s。

大坝防渗采用以下五种方案，方案1、4、5采用斜墙和垂直防渗墙联立防渗，方案2、3采用心墙和垂直防渗墙联立防渗。

1）方案1，有限元计算网格图共划分214个单元，有131个结点。

斜墙及垂直防渗墙的厚度为5m；
2）方案2，有限元计算网格图共划分223个单元，有137个结点。

心墙及垂直防渗墙的厚度为3m；
3）方案3，有限元计算网格图共划分212个单元，有131个结点。

心墙及垂直防渗墙的厚度为3m；
4）方案4，有限元计算网格图共划分214个单元，有131个结点。

斜墙及垂直防渗墙的厚度为3m；
5）方案5，有限元计算网格图共划分214个单元，有131个结点。

斜墙及垂直防渗墙的厚度为1m。

3计算结果分析
通过以上分析，将5种方案下的渗流结果列于表1和表2，如下：计算
方案大坝总渗流量
（×10-3m3/s）断面渗流量（×10-3m3/s）
计算方案出逸点位置水头（m）自由面上防渗墙前后水头降低值（m）
综合分析以上计算结果，可以看出：
1）在防渗墙深度和厚度相同的情况下，即方案1、2、3中，方案1的总渗流量为1.315×10-2m3/s，下游断面s1、s2、s3、s4处的渗流量分别为0.94×10-3m3/s、0.57×10-3m3/s、0.34×
10-3m3/s、0.21×10-3m3/s，出逸点位置水头为19.019m，较另外两种方案有明显的优势，且防渗墙越靠近上游，大坝总渗流量越小，所取下游断面处渗流量也越小，出逸点位置水头亦越低，防渗效果越好。

由此可见方案1为最佳方案。

2）在防渗墙深度和位置相同的情况下，即方案1、4、5中，方案5的总渗流量为1.240×10-2m3/s，下游断面s1、s2、s3、s4处的渗流量分别为0.86×10-3m3/s、0.52×10-3m3/s、0.32×
10-3m3/s、0.19×10-3m3/s，出逸点位置水头为17.809m，较另外两种方案有明显的优势，且所取防渗墙越厚，大坝总渗流量越小，所取下游断面处渗流量也越小，出逸点位置水头亦越低，防渗效果越好。

由此得出方案5为最佳方案。

3）就自由面上防渗墙前后水头降低值来说，采用心墙和垂直防渗墙防渗较采用斜墙和垂直防渗墙防渗有优势，且防渗墙位置越靠近下游，防渗墙越厚，降低值越大。

这仅是从局部而言的，如果考虑局部要求的话，可适当参考。

4结论
目前，关于土石坝防渗墙的理论还不完善。

本文通过理论分析，利用有限单元法对不同位置和不同厚度防渗墙的土石坝进行渗流
计算，得出采用防渗墙防渗的最佳方案。

即防渗墙位置越靠近上游坝基，防渗效果越好；防渗墙设置的越厚，防渗效果越好。

但对于具体的工程而言，由于工程地质条件的复杂，且受施工条件的限制，
再加上经济方面的考虑，不可能全部采用防渗墙在坝基最上游和防渗墙最厚的方案，但是可以在满足地质、施工和经济的条件下，把防渗墙尽量设置在靠坝基上游的位置和尽量选取较厚的防渗墙来防渗。

参考文献
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