基于Geo-studio的水位驟降對(duì)土質(zhì)心墻壩坡穩(wěn)定分析

張利平，朱穎儒

（中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065）

當(dāng)水庫(kù)正常運(yùn)行時(shí)，由于水庫(kù)蓄水、放空等影響，庫(kù)水位會(huì)經(jīng)常發(fā)生變化，尤其是汛期以后或者需要放空水庫(kù)檢修大壩時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)水庫(kù)水位驟降的情況。而滲流與穩(wěn)定是影響土石壩穩(wěn)定安全的兩個(gè)最重要因素[1]。庫(kù)水位的變化會(huì)引起土體中孔隙水壓力的瞬態(tài)變化，同時(shí)庫(kù)水壓力的變化也會(huì)產(chǎn)生壩坡內(nèi)部超孔隙水壓力的發(fā)展。庫(kù)水位下降速率較大時(shí)，沒(méi)有給排水提供足夠的時(shí)間，對(duì)于滲透系數(shù)較小的土體，其孔隙水壓力不會(huì)在水位驟降期以同樣的速率伴隨著水位的下降而消散[7-8][13]。本文結(jié)合某水電站副壩，研究庫(kù)水位驟降速率不同時(shí)，壩坡滲流場(chǎng)及穩(wěn)定性的變化情況，將計(jì)算得出的滲流場(chǎng)結(jié)果應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定分析。

1 工程概況

某水電站副壩為土質(zhì)心墻堆石壩（rockfill dam with central clay core），壩頂高程EL.187.00 m，壩基最低點(diǎn)高程EL.134.50 m。最大壩高52.50 m，壩頂長(zhǎng)331.9 m?？紤]施工、運(yùn)行等因素，壩頂寬度確定為8 m；大壩上游壩坡為1V:2.0 H，下壩壩坡為1V:1.90 H。

心墻與設(shè)在其下的灌漿帷幕一起構(gòu)成了大壩的防滲系統(tǒng)。副壩心墻上游依次為反濾料區(qū)、堆石區(qū)和上游拋石護(hù)坡區(qū)，心墻下游依次為反濾料區(qū)（2層）和堆石區(qū)。大壩標(biāo)準(zhǔn)剖面圖見(jiàn)圖1。壩體及壩基材料物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 壩體材料物理力學(xué)指標(biāo)

圖1 大壩標(biāo)準(zhǔn)剖面圖

2 計(jì)算模型及邊界條件

將壩體最大橫斷面模型在GEO-STUDIO中建立，采用三角形及四邊形網(wǎng)格單元。地基延伸范圍為：上、下游各延伸一倍壩高，地基深度為一倍壩高。計(jì)算分析時(shí)模型邊界條件設(shè)定為：上游水位以下設(shè)為定水頭邊界，以上為不透水邊界（零流量），下游壩坡為不透水邊界，坡腳及地基表面為定水頭邊界。有限單元網(wǎng)格剖分及邊界條件如圖2所示。

圖2 有限元計(jì)算模型

3 有限元計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 計(jì)算工況

本文對(duì)某水電站心墻堆石副壩計(jì)算了三種水位下降速率下的非穩(wěn)定滲流場(chǎng)及上游壩坡穩(wěn)定，三種工況水位均從正常蓄水位187.00 m下降至163.00 m，下降速率分別為0.1 m/h、0.2 m/h和0.3 m/h，按照線性變化下降。同時(shí)對(duì)應(yīng)于不同水位下降速率分析了防滲料滲透系數(shù)不同時(shí)壩體的滲流及上游壩坡穩(wěn)定性。計(jì)算工況見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算工況

3.2 水位驟降速率對(duì)非穩(wěn)定滲流場(chǎng)的影響

對(duì)于穩(wěn)定及非穩(wěn)定滲流計(jì)算的理論，已有很多文章[1-5][9-10]作了介紹，在此不再贅述。通過(guò)在Seep/w里進(jìn)行計(jì)算分析，三種工況下浸潤(rùn)線及壩體滲流量如圖3～圖5所示。

圖3 工況1非穩(wěn)定滲流場(chǎng)分布

圖4 工況2非穩(wěn)定滲流場(chǎng)分布

圖5 工況3非穩(wěn)定滲流場(chǎng)分布

圖6 各工況壩體單寬滲流量（m3/s）

通過(guò)圖3～圖6結(jié)果可以看出，隨著水庫(kù)水位的下降，壩體內(nèi)的浸潤(rùn)線也隨之下降，但是由于土壤的持水性，導(dǎo)致浸潤(rùn)線與庫(kù)水位下降速度不同步，壩體內(nèi)浸潤(rùn)線的下降有明顯的滯后現(xiàn)象，部分水由于孔隙水壓力來(lái)不及消散而滯留在壩體內(nèi)，使浸潤(rùn)線呈現(xiàn)“上凸”的曲線形狀[6][11]。壩體內(nèi)自由水面高于上游庫(kù)水位，形成“逆流”現(xiàn)象。防滲體滲透系數(shù)越小，對(duì)流體流動(dòng)的阻礙越強(qiáng)烈，“逆流”現(xiàn)象越明顯。壩體滲透系數(shù)一定時(shí)，水位下降速率越快，壩體自由水面線曲率越大，此效應(yīng)也越明顯，壩體滲透量隨之增加[1][8]；防滲體滲透系數(shù)越大，壩體滲流量越大。

3.3 水位驟降速率對(duì)上游壩坡穩(wěn)定的影響

基于上述所計(jì)算的非穩(wěn)定滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，在slope/w模塊計(jì)算對(duì)應(yīng)工況下的上游壩坡穩(wěn)定性，安全系數(shù)的計(jì)算采用Morgenstern-Price法，結(jié)果如圖7～圖9所示；給出了上游壩坡安全系數(shù)隨著不同水位驟降速率的變化過(guò)程曲線，結(jié)果如圖10所示。

圖7 工況1上游壩坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)

圖8 工況2上游壩坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)

圖9 工況3上游壩坡穩(wěn)定最小安全系數(shù)

圖10 不同水位降落速率時(shí)上游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)變化

通過(guò)壩坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果可知，上游壩坡滿足規(guī)范規(guī)定要求；水位驟降時(shí)，上游壩坡穩(wěn)定系數(shù)降低，隨著水位驟降過(guò)程的推移，壩坡安全系數(shù)呈現(xiàn)較大的下降趨勢(shì)，水位驟降速率越大，安全系數(shù)下降越快。這主要由于庫(kù)水位驟降以后，壩體特別是心墻內(nèi)的浸潤(rùn)線的降落過(guò)程并不與坡外水庫(kù)內(nèi)水位同時(shí)降落，壩體內(nèi)孔隙水壓力來(lái)不及消散，由水庫(kù)內(nèi)水位提供的靜水壓力在水位驟降時(shí)迅速消失，上游壩坡形成反向滲流，導(dǎo)致其穩(wěn)定性降低。防滲體滲透系數(shù)相同時(shí)，水位下降速率越快，壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)下降越快，數(shù)值越小[7][12]；相同水位驟降速率下，防滲體滲透系數(shù)對(duì)壩體穩(wěn)定性影響不大。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)某水庫(kù)心墻壩某最大橫斷面在庫(kù)水位驟降時(shí)的非穩(wěn)定滲流場(chǎng)的變化進(jìn)行分析，得出其滲流場(chǎng)的變化規(guī)律。根據(jù)壩體滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，采用Morgenstern-Price法對(duì)大壩上游壩坡進(jìn)行了不同水位驟降速率下的穩(wěn)定性分析，得出以下結(jié)論：

（1）庫(kù)水位驟降時(shí)，壩體浸潤(rùn)線隨之下降，但有明顯的滯后現(xiàn)象。驟降速率越大，上游壩坡反向滲流越顯著，大壩上游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)降低越快，安全系數(shù)越低；

（2）水位驟降速率相同時(shí)，防滲體滲透系數(shù)的大小主要影響壩體單寬滲流量，對(duì)于心墻堆石壩，水位驟降期，上游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)受驟降速率影響較大，對(duì)防滲體滲透系數(shù)的大小響應(yīng)不敏感。

（3）水位驟降完成后，壩體內(nèi)浸潤(rùn)面逐漸降低，最終趨于穩(wěn)定，反向滲透壓力逐漸降低，大壩的安全系數(shù)有增大趨勢(shì)。