某均質土壩庫水位降落下考慮非飽和滲流數值分析

馬超 寇建衛 楊雯惠

（1.河北省水利水電第二勘測設計研究院 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）

某均質土壩庫水位降落下考慮非飽和滲流數值分析

馬超1寇建衛2楊雯惠3

（1.河北省水利水電第二勘測設計研究院 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）

本文對某均質土壩的庫水位降落下考慮非飽和滲流數值進行了詳細的分析。

均質土壩 庫水位降落 非飽和滲流

1 工程概況

某均質土壩，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，下游相應水位798m。該大壩的橫剖面圖見圖1。壩體內設置水平褥墊排水。壩基巖體上部強風化帶厚度為1.0～2.0m，強～弱風化巖體透水率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，可視為相對隔水層。

圖1 大壩橫剖面圖

2 有限元模型與計算參數

（1）軟件介紹

GeoStudio 系統軟件是由全球著名的加拿大巖土軟件開發商GEO-SLOPE公司在70年代開發的面向巖土、采礦、交通、水利、地質、環境工程等領域開發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。

飽和區水流的運動與非飽和區水流運動的重要區別在于滲透系數的差異。飽和區土體介質滲透系數比較大一般為常數。但非飽和介質中的孔隙會部分被氣體所占據，其滲透系數會低于飽和時滲透系數，并隨著含水量的變化而變化。因此，要得到非飽和多孔介質的滲透特性，必須要掌握滲透系數和基質吸力或是體積含水率之間的關系，這種關系通常是由非飽和多孔介質水力參數的特征曲線來描述的，稱為土水特征曲線。

土水特征曲線形式非飽和基質的基質勢或是負壓力水頭水介質含水率的變化的關系曲線。基質勢一般是負值，我們通常用其絕對值表示，該正值定義為基質吸力，所以非飽和介質的土水特征曲線也就是體積含水率或飽和度與基質吸力的關系曲線。基質吸力是確定飽和與非飽和的關鍵，它的實際測定有一定難度的。

直接通過試驗來測定土水特征曲線特別復雜，且耗費的時間多，成本也較高，根據經驗公式來預測土水特征曲線則沒有這些缺點，且容易實現。目前，有很多學者和工程技術人員做了大量研究總結出了許多經驗公式來預測土水特征曲線，應用較為廣泛的有：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測效果要好一些；所以得到廣泛的應用。

（3）有限元模型

計算坐標系規定如下：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；坐標原點（0,0）取在模型的左下方。如圖2所示。計算模型的范圍選取：該均質壩最大壩高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合剖分形式進行剖分。

圖2 大壩有限元模型

表1 滲流計算所需參數表

（4）計算參數

在考慮非飽和土的穩定、非穩定滲流場計算時，我們將壩體料的體積含水量函數和滲透系數函數采用Van-Genuchten模型進行擬合。

(5)計算工況

其計算工況詳見表2。

3 庫水位下降對飽和與非飽和滲流數值分析

通過有限元計算，將飽和非穩定滲流與非飽和非穩定滲流計算得到的浸潤線進行對比，分別如圖3～圖10所示。

表2 水位下降計算工況表

圖3 工況1-1不考慮非飽和下降速度v=0.1m/d時浸潤線位置變化圖

圖4 工況1-1考慮非飽和下降速度v=0.1m/d時浸潤線位置變化圖

圖5 工況1-2不考慮非飽和下降速度v=1m/d時浸潤線位置變化圖

圖6 工況1-2考慮非飽和下降速度v=1m/d時浸潤線位置變化圖

圖7 工況1-3不考慮非飽和下降速度v=2m/d時浸潤線位置變化圖

圖8 工況1-3考慮非飽和下降速度v=2m/d時浸潤線位置變化圖

圖9 工況1-4不考慮非飽和下降速度v=4m/d時浸潤線位置變化圖

圖10 工況1-4考慮非飽和下降速度v=4m/d時浸潤線位置變化圖

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線有明顯的區別，不考慮非飽和因素的浸潤線靠近上游壩面處隨水位面同步下降，曲線呈下凹趨勢；考慮非飽和因素的浸潤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，而且隨庫水位下降速度的增大，上凸趨勢越明顯。

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

步下降，各時段浸潤線隨時間均勻變化，480d時水位已經趨于水平。隨時間繼續增加到580d時，浸潤線都沒有發生變化，一直處在480d的位置。考慮非飽和影響時如圖4所示，隨時間的增加，浸潤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580d時與圖3中480d浸潤線才幾乎重合。

工況二：庫水位下降速度v=1m/d時，歷時48d時，水位下降到800m高程。如圖5所示，不考慮非飽和因素的浸潤線前端隨水庫水位同步下降，變化趨勢與v=0.1m/d時一樣，當歷時48d時，水位已經趨于水平，隨時間繼續增加，直到580天時，浸潤線都與48d的位置重合，隨時間增加位置都不會再發生變化。考慮非飽和時如圖6所示，從0d到11d左右，浸潤線前端隨水庫水位同步幾乎下降，逐漸與水位平行，從16d左右往后，隨庫水位下降和時間的增加，浸潤線前端向下彎曲的程度越來越明顯，浸潤線最高點的下降速度也低于庫水位下降速度，出現了較為明顯的滯后現象。歷時48d時，庫水位下降到800m高程，而浸潤線最高點高于庫水位30.2m。隨時間增加，浸潤線最高點不斷下降，前端坡度越來越緩，到達580d時水位趨于水平。

工況三：庫水位下降速度v=2m/d時，歷時24d時，水位下降到800m高程。如圖7所示，不考慮非飽和因素的浸潤線歷時24d時，水位已經趨于水平，隨時間繼續增加，浸潤線都不會變化。考慮非飽和因素影響時如圖8所示，從第7d開始，浸潤線已經出現了明顯的滯后現象。當歷時24d時，浸潤線與上游壩面的交點即庫水位的位置隨時間增加一直保持不變，但浸潤線前端較v=1m/d時更陡，隨時間增加，浸潤線緩慢下移，上游坡度逐漸變緩，在580d時，浸潤線近乎水平。

工況四：庫水位下降速度v=4m/d時，歷時12d時，水位下降到800m高程。如圖9所示，不考慮非飽和因素的浸潤線歷時12d時，水位已經趨于水平，隨時間繼續增加，浸潤線都不會變化。考慮非飽和因素影響時如圖10所示，從第7d開始，浸潤線已經出現了非常明顯的滯后現象，浸潤線前端非常陡。當歷時12d時，浸潤線與上游壩面的交點即庫水位的位置隨時間增加一直保持不變，但浸潤線前端較v=1m/d時更陡，隨時間增加，浸潤線緩慢下移，上游坡度逐漸變緩，在580d時，浸潤線近乎水平。

4 結論

不考慮非飽和因素的浸潤線靠近上游壩面處隨水位面同步下降，曲線呈下凹趨勢，不會發生浸潤線滯后現象；考慮非飽和滲流的靠近上游壩面處浸潤線也隨水位面同步下降，但是曲線呈上凸趨勢，而且隨庫水位下降速度的增大，上凸趨勢越明顯，則發生浸潤線滯后現象。

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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

TV641

B

1672-2469(2014)12-0034-04

馬超（1984年—），男，助理工程師。