大興莊水庫降水作用下大壩穩(wěn)定性分析

王起芝

(山東省臨沂市費縣水利局，山東 臨沂 273400)

我國水庫數(shù)量位居世界榜首，多數(shù)修建于20世紀(jì)50—70年代，但多數(shù)水庫由于施工處理不當(dāng)、填筑標(biāo)準(zhǔn)低等問題，長期處于“帶病”運行的狀態(tài)，時常出現(xiàn)壩體裂縫和壩坡滑移、潰壩等事件[1- 2]。庫水位變化是當(dāng)前引發(fā)大壩破壞的重要因素之一，頻繁的庫水位變化會降低壩體內(nèi)部的抗剪強度，及時開展水庫水位變化后大壩滲流狀態(tài)的研究十分重要[3]。岑威鈞等[4]利用剛體極限平衡理論，通過考慮土工膜后滲流對壩坡穩(wěn)定的作用，對其進行了數(shù)值模擬和分析；唐書童等[5]根據(jù)水文監(jiān)測數(shù)據(jù)，對城西水庫堤防滲漏的安全性和今后高水位作業(yè)情況下的防滲措施進行了研究；賀芳丁等[6]對水庫的蓄水安全性評價與水庫大壩的安全性評價進行了比較；尹芳芳等[7]從多方面對磨刀坑水庫大壩安全性進行了全面復(fù)核和評價，針對大壩的結(jié)構(gòu)滲流穩(wěn)定等進行了分析和論證；羅江鋒[8]參考一個除險加固的工程實例，考慮滲流場和應(yīng)力場間的耦合，對土石壩加固前、后的壩體受力作用進行計算分析；孫瑋瑋等[9]針對黃河源電站的實際情況，采用數(shù)值模擬方法，對黃河源發(fā)電站2種不同的滲流場進行了數(shù)值模擬和計算，對其滲透安全性進行了綜合評估；簡鴻福等[10]根據(jù)試驗資料，對堤體各個巖石和土體的力學(xué)性能進行了反演，以確保堤防滲漏的安全性；岳慶河等[11]建立老嵐水庫土石壩滲流典型斷面有限元模型，對不同上下游水位工況及假設(shè)可能出現(xiàn)的不利工況進行數(shù)值模擬，。

文章以大興莊水庫為例，采用GEO-STUDIO軟件并結(jié)合非飽和土性質(zhì)，主要探討了大壩的壩基土的導(dǎo)水率、水庫水位下降率、水庫水位下降等因素對大壩的作用，研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

1 工程概況

大興莊水庫壩址在薛莊鎮(zhèn)大興莊村北200m，位于沂河水系的薛莊河，該水庫的控制流域為2.8km2，庫容22.6萬m3，興利庫容7.3萬m3，死庫容0.08萬m3。大興莊水庫壩體是一種均質(zhì)壩，壩體寬4.5m，高10m。上下游坡比均為1∶2.0。大興莊水庫地處季風(fēng)型、半濕潤地區(qū)，是一種具有顯著季節(jié)性的溫帶大陸性氣候。春天多風(fēng)，降水稀少，夏天多雨，秋天有豐富的陽光，冬天又冷又干燥。本區(qū)年平均降水量為852.5mm，降水年際差異大，造成了干旱、洪澇年的不均衡；年平均日照時間為2529.4h，平均日曬百分比為59%；最大凍結(jié)深度為28cm；年平均蒸發(fā)面積達(dá)1605mm。該區(qū)年均最高風(fēng)速為3.4m/s，最大風(fēng)速為17.0m/s。風(fēng)向最多的是東風(fēng)。

2 數(shù)值模型及計算參數(shù)

本文建立的大壩數(shù)值模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 大壩數(shù)值模型(單位：m)

大壩橫斷面的尺寸、材料區(qū)域和土壤性質(zhì)根據(jù)現(xiàn)場試驗取得，在土體非飽和狀態(tài)下，土體含水量特性曲線是土體結(jié)構(gòu)研究中的一個重要環(huán)節(jié)。因為實測的SWCC不能獲得大壩的具體用材，因此本文的心墻計算參數(shù)根據(jù)勘測數(shù)據(jù)進行估算取得，大壩和沙濾層是由其顆粒大小來估計的。本次采用GEO-STUDIO軟件進行分析，采用瞬態(tài)滲透法測定了水庫在下游的孔隙水壓，并對上游壩體進行了穩(wěn)定計算。2種方法均在自動耦合模式下進行。計算參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值計算參數(shù)

2.1 滲流方程

通過SEEP/W軟件進行了滲透數(shù)值計算，分析了大壩在水力作用下的二維穩(wěn)定滲流場和水壓作用下的瞬時滲透特性。應(yīng)用有限單元法，對滲透問題進行了數(shù)值模擬，得到了由公式(1)表示的廣義的控制微分方程：

(1)

式中，H—總水頭，m；kx—X方向的導(dǎo)水率，cm/s；ky—Y方向的導(dǎo)水率，cm/s；Q—邊界通量，m3/s；θ—體積含水量，無量綱；t—時間，s。

壩體有限單元網(wǎng)格的剖分情況如圖2所示。

圖2 壩體的有限元網(wǎng)格剖分狀況

網(wǎng)格剖分分別由4和3個結(jié)點組成的四邊形與三角形單元。假定壩頂?shù)淖罡咚?19.2m)是ABC與DE的界限的一個關(guān)鍵條件，即一個常量的總水頭，它的數(shù)值為19.2和9.2m。在此基礎(chǔ)上，通過穩(wěn)定的滲透計算，得到了初步的孔隙水壓力分布。上游的邊界線是以總水位的形式來確定的，這樣的界限使得使用者可以根據(jù)時間來確定總水位的改變。在瞬時滲透計算中，隨著水庫水位的降低，上游邊坡面的水壓由19.2m直線降低到9.2m。在水頭降低過程中，壩體由飽和向非飽和轉(zhuǎn)變，因而，各物料的飽和導(dǎo)水系數(shù)被稱為吸力的函數(shù)。通過對壩體在降水過程中的瞬態(tài)滲透進行數(shù)值模擬，得到了全網(wǎng)格內(nèi)孔隙水壓隨著水位的降低而發(fā)生的動態(tài)變化。

2.2 壩體穩(wěn)定分析方程

為了準(zhǔn)確分析出水位下降時，壩體上游邊坡的穩(wěn)定性。本文利用SLOPE/W中已有的GLE法對邊坡失穩(wěn)進行了數(shù)值仿真。通過計算各個斜坡的潛在失效面，得到了在不同的水位變化條件下，最大安全因子的最優(yōu)解。在這種情況下，由于大壩的水位降低，出現(xiàn)了黏土心墻壩、沙濾層等壩體不飽和的情況，故本文將材料的不飽和問題和剪切強度也考慮在內(nèi)，并給出了相應(yīng)的計算公式(2)。利用抗剪強度參數(shù)和SWCC來估算材料的非飽和抗剪強度：

(2)

式中，τ—飽和或非飽和土的抗剪強度，kPa；φ′—有效摩擦角，(°)；(ua-uw)—土壤破壞面內(nèi)的基質(zhì)吸力，kPa；Ua—非飽和土壤中的孔隙空氣壓力，kPa；Uw—孔隙水壓力，kPa。

公式(2)可以用于瞬態(tài)滲透計算得到孔隙水壓力變化，可應(yīng)用于上游壩坡在各種水位下的穩(wěn)定性分析。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 導(dǎo)水率對邊坡穩(wěn)定性的影響

為分析土體飽和導(dǎo)水率(ksat)對上游邊坡穩(wěn)定性造成的影響，本文對不同水位下降情況下出現(xiàn)的4種不同ksat邊坡安全系數(shù)變化情況進行分析，如圖3所示。

圖3 不同ksat下土壩上游邊坡的安全系數(shù)隨水位變化

由圖3可知，對于給定ksat下，隨著大壩的水位降低，大壩的上游邊坡面穩(wěn)定性逐漸降低，在庫容降低到1/2～2/3時為最低。這主要是因為大壩的蓄水量減少和大壩暫時不排水造成的，而且隨著孔隙水壓力的增大，土體剪切強度也會隨之減弱，從而降低了安全系數(shù)。在蓄水過程中，在蓄水量由原來的1/2降低到2/3的情況下，穩(wěn)定性由最低值逐漸增大，直到水位不再下降。壩體材料的抗剪強度因其孔隙水的消失而增大。這對斜坡體系的穩(wěn)定起到了很好的作用。當(dāng)水庫的水位降低時，從圖3中可以看出，土體的飽和導(dǎo)水率(ksat)對上游邊坡穩(wěn)定性有顯著影響。在水位下降的早期階段，堤壩的上游邊坡采用低飽和導(dǎo)水率建造邊坡比高導(dǎo)水率更穩(wěn)定。然而，隨著水位的進一步降低，邊坡穩(wěn)定性會隨著ksat值升高而改變。值得注意的是，飽和帶(潛水表面以下的區(qū)域)在穩(wěn)定狀態(tài)下，高ksat壩體的滲流條件大于低ksat壩體的滲流條件。由于高ksat土壤允許水更深地滲透到大壩中，飽和區(qū)會逐漸擴大，這是壩體在水位下降早期階段，安全系數(shù)降低的主要原因，低ksat土壤中較小飽和區(qū)域的孔隙水壓力可能比高ksat土壤中較大飽和區(qū)域的孔隙水壓力消散得更快，因此，超孔隙水壓力較小的邊坡比超孔隙水壓力較大或飽和區(qū)域較大的邊坡更穩(wěn)定。

上游壩坡穩(wěn)定性在飽和與非飽和狀態(tài)下其抗剪強度的變化情況如圖4所示。

圖4 飽和與非飽和抗剪強度下邊坡安全系數(shù)變化趨勢

由圖4可知，在水位下降期間，通過計算抗剪強度，得出的結(jié)果比非飽和抗剪強度的結(jié)果稍好。因為非飽和物料可以使水庫的水流更深入地滲透到堤壩中，從而使堤壩更加濕潤，這是導(dǎo)致非飽和物料堤壩安全性下降的重要因素。相對于不飽和物料壩的高濕度區(qū)域，在飽和物料壩體的小濕度區(qū)域，其孔隙水壓力的消散速度要快，所以在低孔隙水壓或在低濕區(qū)的水壩要比在高水壓條件下的水壩更穩(wěn)定。但是，應(yīng)該指出，大壩的飽和狀態(tài)和現(xiàn)實中的不一樣，比如黏土心墻、路堤和沙濾等，在大壩的水位高度到達(dá)大壩頂部時，也不會完全飽和。

3.2 水位下降率對邊坡穩(wěn)定性的影響

本節(jié)對水位下降率對上游邊坡穩(wěn)定性造成的影響進行分析，分別為8、6、2和0.5m/d，如圖5所示。

圖5 水位下降率對上游邊坡穩(wěn)定性的影響

由圖5可知，當(dāng)水庫的水位下降率減小時，水庫的上坡面穩(wěn)定性明顯提高。由公式(2)可知，由于壩頂?shù)母叨认陆邓俾蕼p小，導(dǎo)致大壩中的孔隙水壓力通過壩內(nèi)飽和區(qū)滲透的時間延長，因而提高了大壩的抗剪能力。當(dāng)孔隙水壓力消散時，可以使物料內(nèi)部的孔隙水壓力下降到負(fù)數(shù)(吸力)，因此邊坡穩(wěn)定性增加。相比之下，更高的水位下降率或快速下降(例如，8m/d)，壩體沒有足夠的時間進行孔隙水壓力滲透，因此在較高的收縮率下，材料的抗剪強度增加小于在較低的收縮率下材料的抗剪強度增加。

4 結(jié)論

本文以大興莊水庫為實例，采用GEO-STUDIO程序分析了大壩的飽和導(dǎo)水率、水庫水位下降率、水庫水位下降等因素對大壩上游邊坡穩(wěn)定性作用。研究表明當(dāng)庫容降至總水位2/3左右時，大壩的上游坡體穩(wěn)定性減小，而當(dāng)水庫蓄水量繼續(xù)下降時，大壩上游坡體的安全性逐步增大。此外，當(dāng)水庫的蓄水量降低時，高滲透率土壤的土壩穩(wěn)定性要大于低滲透性土壩同時當(dāng)水庫的水位下降率比較低時，壩體的上游邊坡穩(wěn)定性相對較高。因此，建議在進行水庫大壩穩(wěn)定性設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)考慮庫水位下降高度以及水位下降速率對大壩穩(wěn)定性的影響，從而提高壩體穩(wěn)定性。