某均質(zhì)土壩庫(kù)水位降落下考慮非飽和滲流數(shù)值分析

馬超 寇建衛(wèi) 楊雯惠

（1.河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 河北石家莊 050021；2.河北天和咨詢有限公司 河北石家莊 050021；3.黃河水利出版社 河南鄭州 450000）

某均質(zhì)土壩庫(kù)水位降落下考慮非飽和滲流數(shù)值分析

馬超1寇建衛(wèi)2楊雯惠3

（1.河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 河北石家莊 050021；
2.河北天和咨詢有限公司 河北石家莊 050021；
3.黃河水利出版社 河南鄭州 450000）

本文對(duì)某均質(zhì)土壩的庫(kù)水位降落下考慮非飽和滲流數(shù)值進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

均質(zhì)土壩 庫(kù)水位降落 非飽和滲流

1 工程概況

某均質(zhì)土壩，壩頂高程為852.0m，壩頂寬度為10m，最大壩高為66.0m。上游壩坡坡比為1:2.75和1:3，下游壩坡坡比均為1:2.7。正常工況下，即上游正常蓄水位為848m，下游相應(yīng)水位798m。該大壩的橫剖面圖見(jiàn)圖1。壩體內(nèi)設(shè)置水平褥墊排水。壩基巖體上部強(qiáng)風(fēng)化帶厚度為1.0～2.0m，強(qiáng)～弱風(fēng)化巖體透水率q=10～35Lu的中等透水層厚度為10.0m左右，下部巖體巖體透水率q＜3Lu，可視為相對(duì)隔水層。

圖1 大壩橫剖面圖

2 有限元模型與計(jì)算參數(shù)

（1）軟件介紹

GeoStudio 系統(tǒng)軟件是由全球著名的加拿大巖土軟件開(kāi)發(fā)商GEO-SLOPE公司在70年代開(kāi)發(fā)的面向巖土、采礦、交通、水利、地質(zhì)、環(huán)境工程等領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的一套仿真分析軟件，是全球最知名的巖土工程分析軟件之一。

（2）土水特征曲線。

飽和區(qū)水流的運(yùn)動(dòng)與非飽和區(qū)水流運(yùn)動(dòng)的重要區(qū)別在于滲透系數(shù)的差異。飽和區(qū)土體介質(zhì)滲透系數(shù)比較大一般為常數(shù)。但非飽和介質(zhì)中的孔隙會(huì)部分被氣體所占據(jù)，其滲透系數(shù)會(huì)低于飽和時(shí)滲透系數(shù)，并隨著含水量的變化而變化。因此，要得到非飽和多孔介質(zhì)的滲透特性，必須要掌握滲透系數(shù)和基質(zhì)吸力或是體積含水率之間的關(guān)系，這種關(guān)系通常是由非飽和多孔介質(zhì)水力參數(shù)的特征曲線來(lái)描述的，稱(chēng)為土水特征曲線。

土水特征曲線形式非飽和基質(zhì)的基質(zhì)勢(shì)或是負(fù)壓力水頭水介質(zhì)含水率的變化的關(guān)系曲線?；|(zhì)勢(shì)一般是負(fù)值，我們通常用其絕對(duì)值表示，該正值定義為基質(zhì)吸力，所以非飽和介質(zhì)的土水特征曲線也就是體積含水率或飽和度與基質(zhì)吸力的關(guān)系曲線?；|(zhì)吸力是確定飽和與非飽和的關(guān)鍵，它的實(shí)際測(cè)定有一定難度的。

直接通過(guò)試驗(yàn)來(lái)測(cè)定土水特征曲線特別復(fù)雜，且耗費(fèi)的時(shí)間多，成本也較高，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)預(yù)測(cè)土水特征曲線則沒(méi)有這些缺點(diǎn)，且容易實(shí)現(xiàn)。目前，有很多學(xué)者和工程技術(shù)人員做了大量研究總結(jié)出了許多經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)預(yù)測(cè)土水特征曲線，應(yīng)用較為廣泛的有：Brooks-Corey模型（BC模型）、Mualem模型、Campbell模型、Van-Genuchten（VG模型）模型和Fredlund模型。其中VG模型的擬合效果和預(yù)測(cè)效果要好一些；所以得到廣泛的應(yīng)用。

（3）有限元模型

計(jì)算坐標(biāo)系規(guī)定如下：X軸為順河流方向，從上游指向下游為正；Y軸為垂直方向，豎直向上為正；坐標(biāo)原點(diǎn)（0,0）取在模型的左下方。如圖2所示。計(jì)算模型的范圍選?。涸摼|(zhì)壩最大壩高66m，在X方向，分別沿壩踵上游和壩址下游各取60m，約1倍的壩高；在Y方向，從壩底向下取80m，約1.2倍的壩高。應(yīng)用巖土軟件GeoStudio軟件中的SEEP/W模塊采用三角形和四邊形單元相結(jié)合剖分形式進(jìn)行剖分。

圖2 大壩有限元模型

表1 滲流計(jì)算所需參數(shù)表

（4）計(jì)算參數(shù)

在考慮非飽和土的穩(wěn)定、非穩(wěn)定滲流場(chǎng)計(jì)算時(shí)，我們將壩體料的體積含水量函數(shù)和滲透系數(shù)函數(shù)采用Van-Genuchten模型進(jìn)行擬合。

(5)計(jì)算工況

其計(jì)算工況詳見(jiàn)表2。

3 庫(kù)水位下降對(duì)飽和與非飽和滲流數(shù)值分析

通過(guò)有限元計(jì)算，將飽和非穩(wěn)定滲流與非飽和非穩(wěn)定滲流計(jì)算得到的浸潤(rùn)線進(jìn)行對(duì)比，分別如圖3～圖10所示。

表2 水位下降計(jì)算工況表

圖3 工況1-1不考慮非飽和下降速度v=0.1m/d時(shí)浸潤(rùn)線位置變化圖

圖4 工況1-1考慮非飽和下降速度v=0.1m/d時(shí)浸潤(rùn)線位置變化圖

圖5 工況1-2不考慮非飽和下降速度v=1m/d時(shí)浸潤(rùn)線位置變化圖

圖6 工況1-2考慮非飽和下降速度v=1m/d時(shí)浸潤(rùn)線位置變化圖

圖7 工況1-3不考慮非飽和下降速度v=2m/d時(shí)浸潤(rùn)線位置變化圖

圖8 工況1-3考慮非飽和下降速度v=2m/d時(shí)浸潤(rùn)線位置變化圖

圖9 工況1-4不考慮非飽和下降速度v=4m/d時(shí)浸潤(rùn)線位置變化圖

圖10 工況1-4考慮非飽和下降速度v=4m/d時(shí)浸潤(rùn)線位置變化圖

從圖3～10中可以看出，不考慮非飽和與考慮非飽和因素的滲流浸潤(rùn)線有明顯的區(qū)別，不考慮非飽和因素的浸潤(rùn)線靠近上游壩面處隨水位面同步下降，曲線呈下凹趨勢(shì)；考慮非飽和因素的浸潤(rùn)性靠近上游壩面處也隨水位面同步下降，但是曲線呈上凸趨勢(shì)，而且隨庫(kù)水位下降速度的增大，上凸趨勢(shì)越明顯。

工況一：庫(kù)水位下降速度v=0.1m/d時(shí)，歷時(shí)480d時(shí)，水位下降到800m高程。如圖3所示，不考慮非飽和因素的浸潤(rùn)線前端隨水庫(kù)水位同

步下降，各時(shí)段浸潤(rùn)線隨時(shí)間均勻變化，480d時(shí)水位已經(jīng)趨于水平。隨時(shí)間繼續(xù)增加到580d時(shí)，浸潤(rùn)線都沒(méi)有發(fā)生變化，一直處在480d的位置。考慮非飽和影響時(shí)如圖4所示，隨時(shí)間的增加，浸潤(rùn)線靠近壩體上端部位逐步與上游水位趨于平行，水位下降達(dá)580d時(shí)與圖3中480d浸潤(rùn)線才幾乎重合。

工況二：庫(kù)水位下降速度v=1m/d時(shí)，歷時(shí)48d時(shí)，水位下降到800m高程。如圖5所示，不考慮非飽和因素的浸潤(rùn)線前端隨水庫(kù)水位同步下降，變化趨勢(shì)與v=0.1m/d時(shí)一樣，當(dāng)歷時(shí)48d時(shí)，水位已經(jīng)趨于水平，隨時(shí)間繼續(xù)增加，直到580天時(shí)，浸潤(rùn)線都與48d的位置重合，隨時(shí)間增加位置都不會(huì)再發(fā)生變化?？紤]非飽和時(shí)如圖6所示，從0d到11d左右，浸潤(rùn)線前端隨水庫(kù)水位同步幾乎下降，逐漸與水位平行，從16d左右往后，隨庫(kù)水位下降和時(shí)間的增加，浸潤(rùn)線前端向下彎曲的程度越來(lái)越明顯，浸潤(rùn)線最高點(diǎn)的下降速度也低于庫(kù)水位下降速度，出現(xiàn)了較為明顯的滯后現(xiàn)象。歷時(shí)48d時(shí)，庫(kù)水位下降到800m高程，而浸潤(rùn)線最高點(diǎn)高于庫(kù)水位30.2m。隨時(shí)間增加，浸潤(rùn)線最高點(diǎn)不斷下降，前端坡度越來(lái)越緩，到達(dá)580d時(shí)水位趨于水平。

工況三：庫(kù)水位下降速度v=2m/d時(shí)，歷時(shí)24d時(shí)，水位下降到800m高程。如圖7所示，不考慮非飽和因素的浸潤(rùn)線歷時(shí)24d時(shí)，水位已經(jīng)趨于水平，隨時(shí)間繼續(xù)增加，浸潤(rùn)線都不會(huì)變化。考慮非飽和因素影響時(shí)如圖8所示，從第7d開(kāi)始，浸潤(rùn)線已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的滯后現(xiàn)象。當(dāng)歷時(shí)24d時(shí)，浸潤(rùn)線與上游壩面的交點(diǎn)即庫(kù)水位的位置隨時(shí)間增加一直保持不變，但浸潤(rùn)線前端較v=1m/d時(shí)更陡，隨時(shí)間增加，浸潤(rùn)線緩慢下移，上游坡度逐漸變緩，在580d時(shí)，浸潤(rùn)線近乎水平。

工況四：庫(kù)水位下降速度v=4m/d時(shí)，歷時(shí)12d時(shí)，水位下降到800m高程。如圖9所示，不考慮非飽和因素的浸潤(rùn)線歷時(shí)12d時(shí)，水位已經(jīng)趨于水平，隨時(shí)間繼續(xù)增加，浸潤(rùn)線都不會(huì)變化。考慮非飽和因素影響時(shí)如圖10所示，從第7d開(kāi)始，浸潤(rùn)線已經(jīng)出現(xiàn)了非常明顯的滯后現(xiàn)象，浸潤(rùn)線前端非常陡。當(dāng)歷時(shí)12d時(shí)，浸潤(rùn)線與上游壩面的交點(diǎn)即庫(kù)水位的位置隨時(shí)間增加一直保持不變，但浸潤(rùn)線前端較v=1m/d時(shí)更陡，隨時(shí)間增加，浸潤(rùn)線緩慢下移，上游坡度逐漸變緩，在580d時(shí)，浸潤(rùn)線近乎水平。

4 結(jié)論

不考慮非飽和因素的浸潤(rùn)線靠近上游壩面處隨水位面同步下降，曲線呈下凹趨勢(shì)，不會(huì)發(fā)生浸潤(rùn)線滯后現(xiàn)象；考慮非飽和滲流的靠近上游壩面處浸潤(rùn)線也隨水位面同步下降，但是曲線呈上凸趨勢(shì)，而且隨庫(kù)水位下降速度的增大，上凸趨勢(shì)越明顯，則發(fā)生浸潤(rùn)線滯后現(xiàn)象。

1 Van Genuchten MTh．A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils[J]．Soil Sci Soc Am J，1980，44(5)：892-898.

2 毛昶熙．滲流計(jì)算分析與控制[M]．北京：中國(guó)水利水電出版社，2003：1-63，89-124，306-342.

3 徐紹輝，劉建立．土壤水力性質(zhì)確定方法研究進(jìn)展[J]．水科學(xué)進(jìn)展，2003，14(4)：494-501.

4 夏衛(wèi)生，雷廷武，潘英華等．土壤水動(dòng)力學(xué)參數(shù)研究與評(píng)價(jià)[J]．灌溉排水，2002，21(1)：72-75.

5 Brooks R H，Corey A T．Hydraulic properties of porous media[M]．Colorado：Colorado State University Press，1964：3-27.

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.12.012

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1672-2469(2014)12-0034-04

馬超（1984年—），男，助理工程師。