基于Geostudio土石壩滲流穩(wěn)定分析

鄒 韜，張本權(quán)，左恒奕

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002; 2.福建省水利水電工程局有限公司，福建 泉州 362000; 3.貴州省水投水務(wù)集團(tuán)有限公司，貴陽 550002)

1 概 述

土石壩工程有施工簡便、料源豐富、地質(zhì)條件要求低、造價便宜等諸多優(yōu)勢，因此成建數(shù)量極多，約占建壩總數(shù)的95%以上，是水利水電工程中極為重要的一種壩型。由于土石壩施工工藝特點(diǎn)，其滲流問題和壩坡穩(wěn)定問題是影響大壩安全的關(guān)鍵所在[1]。當(dāng)滲流流速或滲透比降高于某固定限值時，可能發(fā)生壩體或壩基巖土體變形。目前，土壩滲流分析及壩坡穩(wěn)定分析大多采用有限元方法[2]。本文以我國西南某水庫為例，用 Geostudio 對大壩進(jìn)行有限元滲流穩(wěn)定分析，以期為同類型工程的滲流穩(wěn)定計(jì)算提供參考。

2 工程概況

該水庫位于瀾滄江中下游河段，屬于大型水庫，大壩為心墻堆石壩，正常蓄水位812.00 m，設(shè)計(jì)洪水位(P=0.1%)810.90 m，校核洪水位(P=0.02%)817.99 m。大壩最大壩高261.5 m，壩頂高程821.50 m，壩頂寬18 m，上游壩坡坡度1∶1.9，下游壩坡坡度1∶1.8。

3 計(jì)算原理

3.1 SEEP/W 模塊

SEEP/W模塊是GeoStudio軟件的模塊之一，SEEP/W 軟件適用于分析巖土體地下水滲流和超孔隙水壓力消散問題。它可以便捷分析各種工況的飽和滲流、非飽和滲流、穩(wěn)態(tài)滲流、瞬態(tài)滲流等，可以定義滲流的各項(xiàng)異性，通過瞬態(tài)分析，可以得出不同時刻不同點(diǎn)的孔隙水壓力分布狀況，其結(jié)果可以被用于SLOPE/W研究邊坡、路堤穩(wěn)定性隨時間變化關(guān)系。本文針對水庫實(shí)際情況，以達(dá)西定律為理論基礎(chǔ)，采用SEEP/W 軟件對大壩各工況(校核水位工況、設(shè)計(jì)洪水位工況、正常水位工況)進(jìn)行滲流分析，求得各工況下的單寬滲流量和浸潤線,根據(jù)滲流分析結(jié)果并應(yīng)用于壩坡穩(wěn)定分析計(jì)算中。

3.2 SLOPE/W 模塊

GeoStudio分析軟件中的SLOPE/W模塊適用于分析巖土體穩(wěn)定性問題，通過運(yùn)用有限元法進(jìn)行應(yīng)力分析，克服了極限平衡法的局限性。本文在SEEP/W模塊已完成滲流計(jì)算的基礎(chǔ)上，運(yùn)用剛體極限平衡原理，通過 SLOPE/W 軟件對大壩的各工況進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析，求得各工況下大壩上下游壩坡的最小安全系數(shù)，分析大壩的穩(wěn)定性。

4 計(jì)算分析

4.1 計(jì)算模型建立及參數(shù)選取

在Geostudio軟件中，首先對模型的長度、高度、比例尺、計(jì)算單位和坐標(biāo)軸等基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置，隨后可通過CAD繪制大壩構(gòu)造及壩基土層分層情況并保存為DXF文件。將繪制好的模型導(dǎo)入Geostudio軟件中，根據(jù)壩體和地基的輪廓線進(jìn)行面域劃分和材料屬性定義。

模型計(jì)算時，有限元網(wǎng)格的劃分一般推薦使用非結(jié)構(gòu)化四邊形和三角形網(wǎng)格，單元的長寬比大致應(yīng)控制在1∶1.0～1∶1.2，計(jì)算模型見圖1。

在KeyIn Matetials中定義壩體材料和地基材料特征參數(shù)，大壩壩土及壩基分區(qū)的巖土物理參數(shù)指標(biāo)見表1。

圖1 模型簡圖

表1 巖土體滲流分析物理參數(shù)

模型心墻區(qū)域的材料屬性設(shè)置為飽和-不飽和[3-4]，在浸潤線以下部分是飽和土體，浸潤線以上部分是非飽和土體。采用飽和-不飽和計(jì)算時[5]，滲流主要存在于浸潤線以下，貼合實(shí)際情況，同時壩基按飽和情況計(jì)算。

邊界條件的設(shè)置關(guān)系到滲流計(jì)算結(jié)果，邊界條件設(shè)置可以選擇邊界水頭或邊界滲流量。本次計(jì)算工況需要設(shè)置不同的邊界水頭，以求解滲流量。

4.2 滲流計(jì)算

本文由GEO-SEEP軟件進(jìn)行計(jì)算分析，確定各工況下壩體浸潤線、等勢線、溢出點(diǎn)高程、滲流單寬流量、滲透比降、壩底揚(yáng)壓力等，并進(jìn)行壩身及地基各部分結(jié)構(gòu)周邊滲透破壞可能性的判斷，對比分析各工況及不同防滲材料的壩體流網(wǎng)圖。具體滲流計(jì)算內(nèi)容可列為以下幾點(diǎn)：①用軟件計(jì)算確定壩體下游心墻和壩殼出逸點(diǎn)的位置以及算出相應(yīng)水位下穩(wěn)定滲流的浸潤線；②確定壩體及基礎(chǔ)的滲流量；③確定壩體出逸段及其水力坡降；④分析滲透壓力分布和變化，預(yù)測滲透破壞發(fā)生的可能。

用SEEP/W模塊對大壩進(jìn)行滲流分析，考慮正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位、水位下降工況，前3種工況為穩(wěn)態(tài)滲流分析，水位下降工況采用瞬態(tài)分析。

各工況的滲流計(jì)算結(jié)果見圖2-圖5。

圖2 正常蓄水位滲流比降云圖及浸潤線

圖3 設(shè)計(jì)洪水位滲流比降云圖及浸潤線

圖4 校核洪水位滲流比降云圖及浸潤線

圖5 校核洪水位(1天放空)滲流比降云圖及浸潤線

由計(jì)算結(jié)果的云圖中，可以了解大壩內(nèi)部的浸潤線、滲流矢量、單寬滲流量和滲流比降。滲流分析的主要任務(wù)是計(jì)算滲透比降并判斷大壩是否會發(fā)生滲透破壞。在水位下降過程中，從云圖可以看出，部分孔隙水并未及時消散。壩體中一部分水向下游壩坡滲去，部分壩內(nèi)水向上游壩坡反滲[6]。由于會產(chǎn)生滲透壓力的作用，上游壩坡也易出現(xiàn)滑移的危險。

水力坡降取值根據(jù)水工設(shè)計(jì)手冊(第二版)，土的臨界水力坡降除以一定的安全系數(shù)可以得到允許水力坡降，設(shè)計(jì)時安全系數(shù)取2.5，黏土取值為1.5。滲流計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 土石壩滲流分析計(jì)算結(jié)果

4.3 穩(wěn)定計(jì)算

壩坡穩(wěn)定分析方法有極限平衡法和有限元法。極限平衡法又分為瑞典圓弧法、畢肖普法、簡布普遍條分法；有限元法又分為滑面應(yīng)力分析法和強(qiáng)度折減條分法。用SLOPE/W軟件對壩體各個工況進(jìn)行穩(wěn)定分析，采用畢肖普法計(jì)算壩體的抗滑穩(wěn)定系數(shù)[7]。

在Geostudio軟件SEEP模塊下新建SLOPE分析，SEEP中的孔隙水壓力可以直接疊加到SLOPE分析中，無需重新輸入相關(guān)參數(shù)即可進(jìn)行穩(wěn)定分析。壩坡穩(wěn)定計(jì)算過程中，各巖土層采用Mohr-coulomb強(qiáng)度，滑動面采用自動搜索的方式確定最危險的滑弧。各巖土層的計(jì)算參數(shù)見表3。

各工況下上下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算值及規(guī)范值見表4，部分工況最危險滑移面見圖6-圖9。

表3 巖土體壩坡穩(wěn)定分析物理參數(shù)

表4 壩坡穩(wěn)定分析計(jì)算結(jié)果

圖6 正常蓄水位3天放空最危險滑移面

圖7 設(shè)計(jì)洪水位3天放空最危險滑移面

圖8 校核洪水位3天放空最危險滑移面

圖9 正常蓄水位+地震荷載條件最危險滑移面

計(jì)算結(jié)果表明，大壩在擬定的各工況條件下，壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范值要求。從穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，大壩在水庫水位下降過程中由于水壓力的改變壩坡穩(wěn)定系數(shù)也隨之減小。因此，在水庫泄水過程中，應(yīng)加強(qiáng)對大壩滑移的監(jiān)測。

5 結(jié) 語

本文通過Geostudio軟件對大壩滲流穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算分析，考慮巖土體非穩(wěn)定滲流，可以快速、準(zhǔn)確進(jìn)行土石壩滲流穩(wěn)定分析，能夠?yàn)橥潦瘔喂こ踢M(jìn)行安全分析服務(wù)，其基于達(dá)西定律和極限平衡理論的方法已在國內(nèi)外工程中廣為應(yīng)用，可在土石壩滲流穩(wěn)定計(jì)算中，為大壩安全評價提供依據(jù)。