庫水位驟降對黏土心墻壩壩坡穩定的影響分析

王資歡　張曉峰

(1.河南省水利第二工程局， 河南 鄭州　450016；2.北京國泰節水發展股份有限公司， 北京　100053)

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庫水位驟降對黏土心墻壩壩坡穩定的影響分析

王資歡1張曉峰2

(1.河南省水利第二工程局， 河南 鄭州450016；2.北京國泰節水發展股份有限公司， 北京100053)

壩坡穩定是土石壩設計的重要內容,在極端工況條件下，壩體內孔隙水壓力常不能很快消散，較高的孔隙水壓力和滲透力會使上游壩坡具有下滑趨勢，甚至釀成滑坡事故。鑒于此，應用三維非穩定飽和-非飽和滲流有限元法建立大黑箐水庫樞紐區三維有限元模型，對極端工況條件下壩體的非穩定滲流場進行模擬分析。結果表明，1d內庫水位自校核洪水位驟降至正常蓄水位，不會對心墻的穩定造成不利影響。

土石壩； 心墻； 非穩定滲流； 有限元法； 滲透坡降

壩坡穩定是土石壩設計的重要內容。當庫水位驟降時，壩體內孔隙水壓力常常不能很快消散，浸潤線高于坡外庫水位，較高的孔隙水壓力和滲透力會使上游壩坡具有下滑趨勢，甚至釀成滑坡事故[1-3]。1979年，湖北省獅子巖土石壩，因發現漏水而決定放空水庫，上游壩坡受庫水位驟降影響(v=1.60m/d)產生滑坡[4]。因此，在實際工程中進行土石壩上游壩坡穩定分析，以防止因庫水位下降過快而導致滑坡事故發生顯得尤為重要。鑒于此，本文以大黑箐水庫黏土心墻壩為研究對象，應用三維非穩定飽和-非飽和滲流有限元法對該壩在極端工況下(v=4.16m/d)的非穩定滲流場進行模擬分析，探討水位驟降對該壩上游壩坡穩定的影響。

1　非穩定飽和-非飽和滲流基本原理

假定達西定律同樣適用于非飽和滲流情況，則非飽和滲流基本微分方程可以采用與飽和滲流相同的方法推導得到[5]。非穩定飽和-非飽和滲流基本微分方程：

(1)

式中hc——壓力水頭；

ki3——飽和滲透系數張量中僅和第3坐標軸有關的滲透系數值；

kr——相對透水率，為非飽和土滲透系數與飽和土滲透系數比值，在非飽和區0

β——飽和-非飽和選擇常數，在非飽和區等于0，在飽和區等于1；

Ss——彈性貯水率，飽和土體的Ss為一個常數，在非飽和土體中Ss=0，當忽略土體骨架及水的壓縮性時對于飽和區也有Ss=0；

Q——源匯項。

(2)

其中帶“e”的符號表示相應于單元的量。

單元支配方程：

(3)

(4)

(5)

(6)

其中a、b=1～8， i、 j=1、3；

式中Na,Nb——單元形函數；

hc——壓力水頭。

將單元支配方程進行集成，可得整體有限元支配方程為：

(7)

(8)

2　工程概況

大黑箐水庫位于宜良縣竹山鎮某村，屬珠江流域南盤江左岸二級支流。水庫主要功能是以農田灌溉供水及集鎮、農村生活供水為主，兼顧保障下游防洪安全。水庫總庫容110.87萬m3，工程規模為小(1)型，工程等別為Ⅳ等，主要建筑物級別為4級，臨時建筑物級別為5級。水庫設計洪水標準采用30年一遇，相應洪水位1803.76 m，校核洪水標準采用300年一遇，相應洪水位1805.18 m。溢洪道、輸水洞消能防沖設計洪水標準采用20年一遇。臨時建筑物設計洪水標準采用5年一遇。大壩采用黏土心墻壩，壩軸線長185m，壩頂高程1805.50m，壩頂設高1.2m混凝土防浪墻，墻頂高程1806.70 m，壩頂寬度為5m。

3　三維有限元模型

3.1計算模型范圍

以大地坐標(513706.54，2729555.99)為模型坐標原點；該點位于右壩端0+000.00的壩軸線，取X軸為順河流方向，垂直于壩軸線，上游指向下游為正；Y軸為壩軸線方向，右岸指向左岸為正；Z軸為垂直方向，向上為正，與高程一致。計算模型上游截取壩踵以上70.99m，邊界至壩軸線上游約136.08m(X=0m)；下游截取壩趾以下82.00m，邊界至壩軸線下游約168.13m(X=168.13m)；左岸截取壩肩山體205.73m，即邊界至左壩端約205.73m(Y=395.14m)；右岸截取壩肩山體287.00m，即邊界至右壩端約287.00m(Y=-287.00m)；底邊界截取壩基帷幕最深處以下37.54m(一倍壩高)，至高程1680.00m；頂邊界截至頂高程1840.30m，低于1840.30m的地形按實際高程考慮。該模型上下游方向寬度約304.21m，左右岸方向長度約672.14m，高度約160.30m。有限元網格結點總數為27141個，單元總數為25325個。三維超單元計算模型網格如圖1所示。

圖1　三維超單元計算模型網格

3.2模型邊界條件

計算模型的邊界類型主要有已知水頭邊界、出滲邊界、不透水邊界三種:?已知水頭邊界包括壩址區上、下游水位淹沒線以下的給定水頭邊界，以及給定地下水位的截取邊界；?出滲邊界為壩區上、下游水位淹沒線以上，左、右岸山坡的迎水面，為所有與大氣接觸的邊界；?不透水邊界包括模型底面以及模型上、下游截取邊界。模型兩側截取邊界根據計算的地下水位與原地下水位比較確定，可以是不透水邊界，也可以給定地下水位邊界。

4　計算參數選取

土壩水位驟升或驟降引起的非穩定滲流受較多因素影響，除上游水位上升或下降速度外，壩體材料滲透系數及壩體給水度等也很重要[6]。本文的給水度根據經驗和文獻資料參考類似工程選取，計算所需材料滲透參數如下表所列。

材料滲透參數表

5　計算成果分析

根據以上計算原理，采用三維非穩定飽和-非飽和滲流有限元計算程序，對水庫在極端條件下(水位驟降4.16m/d)的非穩定滲流場進行了計算分析，計算得到的不同時刻典型斷面等勢線如圖2所示。

圖2　剖面Y=90m不同時刻位勢分布

衡量庫水位降落影響的指標一般采用比值K/(μv) (K為滲透系數，μ為介質的給水度，v為庫水位下降速度)，該值反映了介質孔隙中水體降落速度與庫水位降落速度間的關系，亦可以用于判別庫水位降落速度對壩坡穩定性的影響，當K/(μv)<1/10時，自由面下降極緩；當K/(μv)>10時，孔隙水和庫水位同步下降，隨之泄盡，滲流對穩定性沒有影響；當1/10

5.1壩殼滲流性態

從圖2可以看出，上游壩殼內堆石區的自由面降落較快，與庫水位的下降速度接近。由于壩殼料的滲透性較大，其滲透系數達1.00×10-2cm/s，相應的K/(μv)比值為20.83，比值較大，可認為上游壩殼內堆石區的自由面與庫水位同步下降。在庫水位降落的過程中，下游風化料壩殼內的自由面水位變化很小，壩殼內的滲透坡降也較小，不會對下游壩坡的穩定造成不利影響。

5.2心墻滲流性態

由于心墻的滲透系數很小，其滲透系數為6.28×10-6cm/s，相應的K/(μv)比值約為1.30×10-3，因此該水庫庫水位降落速度4.16m/d屬于驟降。

從各時段末心墻的自由面位置變化來看，隨著庫水位不斷下降，心墻內的自由面也隨之下降，但降落速度較慢，遠小于庫水位的下降速度。從心墻內的自由面狀態看，自由面最高點并不對稱，偏向心墻上游側。心墻內的自由面從最高點起向心墻兩側逐漸下降，在一定高度后出逸，沿心墻上游面和下游面向下，與壩殼內的自由面銜接。

在庫水位降落起始時刻(t=0h)，心墻的最大滲透坡降為1.67。隨著庫水位降落，其值有所減小。當庫水位降落到1800.08m時，心墻的最大滲透坡降減小1.31，小于心墻的允許滲透坡降。在庫水位降落后，心墻內自由面高于上游壩殼，心墻上游側滲透力的方向發生改變，由原來的指向下游轉為指向心墻上游。

在庫水位自校核洪水位1804.24m降落至正常蓄水位1800.08m時，心墻內的自由面最高點高出庫水位約2.03m，約占初始時刻總水頭的5.60%。在庫水位降落后，心墻的最大滲透坡降有所降低，但是變化幅度不大。隨著歷時增加，心墻內飽和孔隙水逐漸排出，心墻內的自由面將逐漸降低，其滲透坡降亦將進一步減小。因此，不會對心墻的穩定造成不利影響。

6　結　論

a.在極端工況下(v=4.16m/d)，心墻上游壩殼浸潤線幾乎和水位同步下降，而由于心墻滲透系數較小，水主要滯留在心墻內，心墻內的自由面從最高點向心墻兩側逐漸下降，但心墻內的自由面最高點高出庫水位不多，且心墻的最大滲透坡降小于允許坡降，因此滿足滲透穩定性要求。

b.盡管在本文模擬分析工況下，心墻滿足滲透穩定性要求，但由于浸潤線高于庫水位，勢必存在一定的順坡向滲流動水壓力，而本文模擬工況，水位驟降歷時較短，且水位降幅不大，從而忽略了這些因素的影響。

若考慮放空水庫，由于水位降幅較大，則需要考慮這些因素的影響，合理地選擇泄水速度，以免危及心墻壩坡的穩定。

[1]賈蒼琴,黃茂松,王貴和,等.水位驟降對土坡穩定性的影響分析[J].同濟大學學報(自然科學版),2008,(3):304-309.

[2]王學武,許尚杰,黨發寧,等.水位驟降時的非飽和壩坡穩定分析[J].巖土力學,2010,(9):2760-2764.

[3]劉釗,柴軍瑞,陳興周,等.庫水位驟降時壩體滲流場及壩坡穩定性分析[J].西安理工大學學報,2011,(4):466-470.

[4]王冬林,李宗利,張洪泉.庫水位驟降對均質土壩壩坡穩定的影響分析[J].人民黃河,2011,(4):147-149.

[5]姜媛媛.飽和-非飽和滲流影響下非連續性巖體邊坡穩定分析方法研究[D].南京:河海大學碩士學位論文,2005.

[6]顧慰慈.滲流計算原理及應用[M].北京:中國建材工業出版社,2000.

Analysis on the influence of reservoir water level sharp dropping on the clay core wall dam slope stability

WANG Zihuan1， ZHANG Xiaofeng2

(1.HenanWaterResourcesNo.2Bureau,Zhengzhou450016,China;2.GuotaiWaterSavingCo.,Ltd.,Beijing100053,China)

Dam slope stability is one important content in earth dam design. Pore water pressure cannot dissipate quickly in dam body under extreme conditions. Upstream dam slope has sliding trend due to higher pore water pressure and seepage force, and landslide accident can even be produced. On the basis, three-dimensional unsteady saturated-unsaturated seepage finite element method is applied for establishing 3D finite element model in Daheiqing Reservoir Area. The non-steady seepage field is simulated and analyzed aiming at the dam under extreme conditions. The results show that the reservoir water level is sharply dropped form the maximum flood water lever to normal water storage level within 1d, which cannot produce unbeneficial influence on the stability of core wall.

earth and rock-fill dam; core wall; unsteady seepage; finite element method; seepage slope

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.09.011

TV641

A

1005-4774(2016)09- 0042- 04