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水利学报

２０２４年１１月ＳＨＵＩＬＩＸＵＥＢＡＯ第５５卷第１１期

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文章编号２０２４

考虑坝基防渗体渗透溶蚀效应的特高土心墙堆石坝

服役年限可靠性分析

１１１，２１，３１，４１，３

赵邵峰，徐力群，张宏伟，沈振中，刘得潭，甘磊

（１．河海大学水利水电学院，江苏南京２１００９８；２．河海大学土木与交通学院，江苏南京２１００９８；

３．河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京２１００９８；

４．大唐水电科学技术研究院有限公司，广西南宁５３０００７）

摘要：特高土心墙堆石坝坝基防渗体非均质特征显著，影响渗透溶蚀效应下长期服役性能的准确评估。本文基于

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ＫＬ展开法离散了水泥基材料参数随机场，构建了水泥基材料渗流溶蚀耦合随机模型，利用神经网络，建立了随

机场与服役年限的映射关系，发展了服役年限可靠性分析方法。以长河坝工程为背景，研究了坝基防渗体渗透系

数、孔隙率和固相钙浓度为随机场情况下特高土心墙堆石坝的渗流与溶蚀特征，并对特高土心墙堆石坝服役年限

进行了可靠性分析。渗透溶蚀效应会增大坝基防渗体渗透系数的空间变异性；坝基防渗体渗透系数、孔隙率和固

相钙浓度为随机场情况下坝体与坝基总单宽渗流量是均质情况下的０．８７～１．１９倍；坝基防渗体９５％保证率的服役

年限为６３．４ａ；降低主防渗帷幕区与固结灌浆区渗透系数均值、减小固结灌浆区渗透系数空间变异性，是延长服

役年限较为有效的方法。特高土心墙堆石坝设计、施工、运行与维护过程中应重视渗透溶蚀效应下坝基防渗体的

空间变异性。

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关键词：特高土心墙堆石坝；空间变异性；渗流溶蚀耦合随机模型；可靠性分析；服役年限；神经网络

中图分类号：ＴＶ２２３．４文献标识码：Ａｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ

１研究背景

水泥基材料是以水泥作为胶凝材料的一系列材料的统称。渗透溶蚀效应，即在渗流作用下，水泥

［１］

基材料中的固相钙分解，致使其抗渗性能下降与强度降低。坝基防渗体常用水泥基材料建成，渗透

溶蚀效应是坝基防渗体的主要病害之一，如湖南镇水电站和梅山水库等工程的坝基防渗体均因渗透溶

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［２３］

蚀效应产生了严重损坏。特高土心墙堆石坝坝基防渗体在高水力梯度环境下服役，如两河口（坝高

［４］

２９５．０ｍ）与糯扎渡（坝高２６１．５ｍ）。Ｇａｗｉｎ等研究发现随水力梯度增大，孔隙溶液中钙离子运移速率

［５］

加快，钙离子浓度降低，水泥基材料溶蚀速率增加；徐力群等研究长河坝（坝高２４０ｍ）坝基防渗体

渗透溶蚀效应后认为其服役年限约为６８．３ａ，小于设计服役年限。因此，高水力梯度环境下服役的特

高土心墙堆石坝坝基防渗体渗透溶蚀问题尤应重视。

水泥基材料为非均质材料，各点的防渗性能与力学性能具有空间变异性，非均质水泥基材料渗透

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溶蚀效应的数值实现需要模拟材料参数的空间变异性，进而使用渗流溶蚀耦合模型求解。水泥基材

［６］［７］

料参数的空间变异性可用随机场模拟，如彭建