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

張利平，朱穎儒

（中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065）

當(dāng)水庫正常運行時，由于水庫蓄水、放空等影響，庫水位會經(jīng)常發(fā)生變化，尤其是汛期以后或者需要放空水庫檢修大壩時，往往會出現(xiàn)水庫水位驟降的情況。而滲流與穩(wěn)定是影響土石壩穩(wěn)定安全的兩個最重要因素[1]。庫水位的變化會引起土體中孔隙水壓力的瞬態(tài)變化，同時庫水壓力的變化也會產(chǎn)生壩坡內(nèi)部超孔隙水壓力的發(fā)展。庫水位下降速率較大時，沒有給排水提供足夠的時間，對于滲透系數(shù)較小的土體，其孔隙水壓力不會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，研究庫水位驟降速率不同時，壩坡滲流場及穩(wěn)定性的變化情況，將計算得出的滲流場結(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，壩基最低點高程EL.134.50 m。最大壩高52.50 m，壩頂長331.9 m。考慮施工、運行等因素，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)剖面圖見圖1。壩體及壩基材料物理力學(xué)參數(shù)見表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。計算分析時模型邊界條件設(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 有限元計算模型

3 有限元計算結(jié)果及分析

3.1 計算工況

本文對某水電站心墻堆石副壩計算了三種水位下降速率下的非穩(wěn)定滲流場及上游壩坡穩(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。同時對應(yīng)于不同水位下降速率分析了防滲料滲透系數(shù)不同時壩體的滲流及上游壩坡穩(wěn)定性。計算工況見表2。

表2 計算工況

3.2 水位驟降速率對非穩(wěn)定滲流場的影響

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

圖3 工況1非穩(wěn)定滲流場分布

圖4 工況2非穩(wěn)定滲流場分布

圖5 工況3非穩(wěn)定滲流場分布

圖6 各工況壩體單寬滲流量（m3/s）

通過圖3～圖6結(jié)果可以看出，隨著水庫水位的下降，壩體內(nèi)的浸潤線也隨之下降，但是由于土壤的持水性，導(dǎo)致浸潤線與庫水位下降速度不同步，壩體內(nèi)浸潤線的下降有明顯的滯后現(xiàn)象，部分水由于孔隙水壓力來不及消散而滯留在壩體內(nèi)，使浸潤線呈現(xiàn)“上凸”的曲線形狀[6][11]。壩體內(nèi)自由水面高于上游庫水位，形成“逆流”現(xiàn)象。防滲體滲透系數(shù)越小，對流體流動的阻礙越強(qiáng)烈，“逆流”現(xiàn)象越明顯。壩體滲透系數(shù)一定時，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 水位驟降速率對上游壩坡穩(wěn)定的影響

基于上述所計算的非穩(wěn)定滲流場計算結(jié)果，在slope/w模塊計算對應(yīng)工況下的上游壩坡穩(wěn)定性，安全系數(shù)的計算采用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上游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)變化

通過壩坡穩(wěn)定計算結(jié)果可知，上游壩坡滿足規(guī)范規(guī)定要求；水位驟降時，上游壩坡穩(wěn)定系數(shù)降低，隨著水位驟降過程的推移，壩坡安全系數(shù)呈現(xiàn)較大的下降趨勢，水位驟降速率越大，安全系數(shù)下降越快。這主要由于庫水位驟降以后，壩體特別是心墻內(nèi)的浸潤線的降落過程并不與坡外水庫內(nèi)水位同時降落，壩體內(nèi)孔隙水壓力來不及消散，由水庫內(nèi)水位提供的靜水壓力在水位驟降時迅速消失，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，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)對壩體穩(wěn)定性影響不大。

3 結(jié)語

本文通過對某水庫心墻壩某最大橫斷面在庫水位驟降時的非穩(wěn)定滲流場的變化進(jìn)行分析，得出其滲流場的變化規(guī)律。根據(jù)壩體滲流場計算結(jié)果，采用Morgenstern-Price法對大壩上游壩坡進(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）庫水位驟降時，壩體浸潤線隨之下降，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，防滲體滲透系數(shù)的大小主要影響壩體單寬滲流量，對于心墻堆石壩，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。