不同排水方案下均質土壩滲流及壩坡穩定性有限元仿真

張 寅 寅

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，蘭州 730000)

0 引 言

土壩因其具有可就地取材及對壩基工程地質條件要求低等優點而在實際中為一種被普遍使用的壩型。在土壩研究中，土壩的安全一直是人們關注的重點，而滲流是威脅土壩安全的主要因素之一，因此土壩的滲流問題越來越引起人們的關注[1]。1993年青海溝后水庫失事事件就是由于大壩排水不暢，致使浸潤線很高，壩頂幾乎完全飽和，導致最后土壩失穩破壞[2,3]。因此有必要針對不同排水設計在不同典型工況的運行進行壩體滲流穩定分析，以便為水庫大壩滲流與排水設計提供參考。

本文以甘肅靈臺縣新集水庫為研究對象，初選壩后貼坡式、壩體內豎式和壩后棱體三種排水形式。其中，貼坡式排水投資較低，施工簡單，易于檢修，但壩體大部分處于飽和濕潤狀態，不利于大壩安全；根據《碾壓式土石壩設計規范》[4]，豎式排水能有效降低浸潤線，尤其適用于因土體分層碾壓形成的局部水平滲水通道，但施工難度相對較大，檢修較困難；棱體排水能有效降低浸潤線，適用面較廣，但需要級配砂礫石和塊石較多，投資相應較高。因此，本文選擇土壩運行的不同典型工況，對三種排水方案進行有限元仿真，對大壩滲流、滲透及壩坡穩定進行計算與分析研究，綜合技術經濟考慮提出了建議的排水形式。

1 工程概況

新集水庫位于甘肅省靈臺縣達溪河干流，壩址距縣城約26 km，總庫容3 218 萬m3，為中型Ⅲ等水庫工程，大壩等主要建筑物為3級。攔河大壩為混凝土重力壩泄洪與均質土壩擋水相結合的混合壩型。大壩校核洪水位為1 066.30 m，設計洪水位與正常蓄水位均為1 065.10 m。壩頂高程1 068.50 m，壩基置于弱風化巖體上部，最大壩高39.5 m，壩頂總長758 m，其中均質土壩段長515 m，壩頂寬8 m，壩體上游壩坡自上而下分別為1∶3.0、1∶3.5，采用現澆混凝土板護面，下鋪0.8 m厚砂礫石墊層，下游壩坡自上而下分別為1∶2.75、1∶3.0，采用混凝土網格草皮護坡。

工程區土料分布廣泛，儲量豐富，本著“因地制宜、就地取材”的筑壩材料選擇基本原則[4]，515 m長的擋水壩段采用當地壤土筑壩。壩體土料總填筑量約249 萬m3，根據室內土物理力學性質試驗成果，土體物理力學性質試驗參數(見表1)與質量技術指標均滿足規范規定，符合筑壩要求。

根據《碾壓式土石壩設計規范》壩體排水形式選擇的相關規定及《水工設計手冊》[5]第6卷土石壩1.6.8章節關于壩體排水的論述，結合本工程壩體下游水位較高和填筑材料的滲透特性，綜合考慮采用壩后貼坡式、壩體內豎式和壩后棱體等三種排水形式。除壩體壤土外的其余材料參數均參考《設計手冊》，具體取值詳見表1。

表1 模型材料分區特性參數Tab.1 Characteristic parameters of material in different zones of earth dam

2 分析理論、模型及工況

2.1 分析理論及方法

滲流場計算分析考慮二維穩定滲流問題，故在考慮定解條件時，只需要考慮第一類和第二類邊界條件。

第一類邊界條件(水頭邊界條件)為：

h(x,y)|Γ1=f(x,y)

式中：Γ1為第一類邊界；h為水頭函數；f(x,y)為已知水頭。

第二類邊界條件(流量邊界條件)為：

考慮到各向異性時，可以寫為：

式中：Γ2為第二類邊界；n為Γ2的外法線方向；q0為已知流量。

滲流場由上式所確定的二維滲流場模型進行模擬。

根據《碾壓式土石壩設計規范》，壩坡抗滑穩定計算應采用剛體極限平衡法。對于均質壩，宜采用計及條塊間作用力的簡化畢肖普法。該法計算簡單，精確度和準確度滿足工程要求，是當前水利工程穩定性計算最常用的方法。因此本工程壩坡抗滑穩定計算采用簡化畢肖普法。

2.2 模型及工況

選取土壩段大壩最高斷面作為本次研究的典型剖面，分別建立三種排水形式的二維有限元模型，如圖1所示。模型上下游長度取約2倍壩高，基礎深度自建基面向下取1倍壩高，模型包括影響計算域滲流場的主要邊界范圍[6]。邊界條件設定基礎底部和模型上下游邊界均為不透水邊界；水位以下河床均視為已知水頭邊界；位于河床以上地表均按可按逸出面處理，但實際逸出面通過分析經迭代確定。模型材料分區特性參數經試驗得到，具體如表1所列。

根據《碾壓式土石壩設計規范》規定，滲流及壩坡穩定計算考慮Ⅰ～Ⅲ共3種最不利工況，各工況相應水位如表2所列。

表2 模型工況Tab.2 Typical unfavorable working conditions of model

圖1 均質土壩二維有限元模型網格Fig.1 Grid of two-dimensional finite element model of homogeneous earth dam

3 滲流分析研究

3.1 滲流場

經有限元仿真計算研究，大壩壩體典型浸潤線及等勢線如圖2所示。

大壩滲流場有限元仿真分析研究結論：①棱體和豎式兩種排水方案下游浸潤線基本水平，表明均對壩體浸潤線跌落的作用明顯，排滲效果較好；貼坡排水方案排滲效果相對較差。②豎式排水形式滲流等勢線分布更為密集，表明壩體滲流流速相對較大，對壩體內部滲透穩定不利。

3.2 滲流量

選取壩基帷幕中線所在斷面為截面，對不同工況滲流量進行仿真計算研究。工況I及工況II滲流量統計如表3所列，工況III水位下降過程滲流量過程如圖3所示。

圖2 大壩壩體典型浸潤線及等勢線Fig.2 Typical phreatic lines and isopotential lines of the dam body

表3 工況Ⅰ及工況Ⅱ滲流量統計 m3/(d·m)

有限元仿真分析研究表明：豎式排水滲流量最大，效果最佳；棱體排水滲流量次之，效果尚可；貼坡排水滲流量最小，效果相對較差。工況II上下游水位差大于工況I，其滲透流量大于工況Ⅰ。

3.3 滲透坡降

分別對工況Ⅰ及工況Ⅱ大壩壩體滲透坡降進行有限元仿真分析研究，兩種工況滲透坡降分布云如圖4所示。

圖4 工況Ⅰ及工況Ⅱ滲透坡降分布云Fig.4 Infiltration gradient distribution under working condition Ⅰ and Ⅱ

大壩滲透坡降有限元仿真分析研究結論：由圖4可知：①工況Ⅰ與工況Ⅱ滲透坡降分布總體相近，但工況II量值稍大于工況Ⅰ。②工況Ⅱ豎式排水方案上游壩體滲透坡降較大，數值為0.6～0.8；棱體排水和貼坡排水方案滲透坡降較小，數值為0.3～0.6；三種排水方案滲透坡降的最大值均出現在壩內部壩基處，均小于壤土允許滲透坡降值4～5[7]，不會產生管涌及流土等滲透破壞。滲透計算分析結論與牛文杰等人針對不透水地基上均質土壩滲流自由面的有限元計算的結論一致[8]。

4 壩坡穩定分析研究

4.1 校核及正常蓄水位工況

大壩壩坡抗滑穩定安全有限元仿真計算方法參考《土質邊坡穩定分析-原理.方法.程序》[9]，壩坡抗滑穩定安全計算成果如表4所列，典型壩坡滑動面如圖5所示。

大壩校核及正常蓄水位工況有限元仿真分析研究結論：①大壩壩坡安全穩定系數均大于規范允許值，且上游壩坡富余量較大。②豎式排水壩坡安全系數最大，穩定性最好，棱體排水次之，貼坡排水安全系數相對較低。

表4 大壩壩坡抗滑穩定安全系數Tab.4 Safety factor of anti-slip stability of dam slope

4.2 庫水位降落工況

各排水方案庫水位降落期大壩上游壩坡穩定安全系數變化過程如圖6所示。

圖5 大壩壩坡典型滑動面Fig.5 Typical sliding surface of dam slope

圖6 工況Ⅲ大壩上游壩坡最小安全系數過程Fig.6 Minimum safety factor process of dam upstream dam slope under working condition Ⅲ

有限元仿真分析研究結論：①隨庫水位降落，各排水方案上游壩坡穩定安全系數先行一定幅度增加，然后快速減小至最小安全系數，之后隨壩內滲流場的緩慢調整，出現小幅穩定增長。②庫水位降落期間，各排水方案上游壩坡穩定均滿足規范要求。③豎式排水方案上游壩坡穩定安全系數均值及最小值相對最大；棱體排水其次；貼坡排水最小。其中，庫水位降落的趨勢和規律與安民等人針對庫水位升降對均質土壩壩坡穩定影響[10]及張偉民等針對土壩在水庫水位下降期的滑坡機理[11]的結論一致。

5 豎式排水方案失效分析

分析研究表明，豎式排水降低浸潤線效果明顯，壩坡穩定安全系數較高，但施工難度大，質量不易保證，運行期一旦排水體失效，易造成壩體內部缺陷，且檢修非常困難。因此，通過豎式排水的特性參數敏感性分析，研究部分失效或完全失效對大壩滲流及壩坡穩定的影響。

5.1 特性參數設定

通過降低豎式排水區的滲透系數，分析研究部分失效和全部失效對大壩滲流及壩坡穩定的影響，參數設置如表5所列。

5.2 分析研究

分別對4種情況進行典型斷面二維有限元仿真滲流與穩定性分析研究，大壩坡抗滑穩定安全系數如表6所列。

有限元仿真分析研究結論：①隨豎直排水區滲透系數降低，壩體浸潤線逐漸抬高，壩坡抗滑穩定安全系數逐漸降低。②當豎式排水部分失效時，正常蓄水位壩坡抗滑穩定安全系數由3.713及1.883分別降低至3.618和1.772，穩定性較棱體排水方案差。③當豎式排水完全失效時，正常蓄水位壩坡抗滑穩定安全系數由3.713及1.883分別降低至3.538和1.735，穩定安全性均低于棱體排水方案。④綜合分析，若運行期豎式排水體部分失效或完全失效，則壩體浸潤線將產生較大抬升，下游壩坡抗滑穩定安全系數可能低于棱體排水方案。

表5 豎式排水區滲透參數設置Tab.5 Infiltration parameter of well drainage within the dam

表6 壩坡抗滑穩定安全系數Tab.6 Safety factor of anti-slip stability of dam slope

6 結 論

(1)從有限元仿真計算成果分析，三種型式排水措施均有效，壩坡安全穩定系數均滿足規范要求，但排水效果、壩坡安全系數均有一定差別。從壩坡穩定方面比較，各種工況下，豎式排水安全系數均最大(如工況II下，上游壩坡3.713、下游壩坡1.883)，棱體排水次之(3.662、1.825)，貼坡排水最小(3.445、1.727)。從滲流方面比較，各種工況下，豎式排水對壩體浸潤線跌落作用最明顯，滲流量最大[工況Ⅱ下0.288 9 m3/(d·m)]，滲透坡降最陡(工況Ⅱ下數值0.6～0.8)，排水效果最佳；棱體排水效果次之[滲流量0.259 8 m3/(d·m)、滲透坡降0.3～0.6]；貼坡排水相對較差[滲流量0.210 8 m3/(d·m)、滲透坡降0.3～0.6]。

(2)分析結果表明豎式排水最能有效降低浸潤線，壩坡安全穩定系數最大，排水效果最佳；在施工質量有保障的情況下，可優先選擇豎式排水型式。但從豎式排水體部分失效或完全失效后情況分析，排水體失效后，壩體浸潤線將出現較大抬升，下游壩坡抗滑穩定安全系數可能出現低于棱體排水方案的情況(部分失效后降為3.618和1.772，完全失效后降為3.538和1.735)。考慮到中、大型水庫，大壩的長期安全運行可靠性，不建議推薦豎式排水。

(3)相對于豎式排水和棱體排水，貼坡排水滲流及壩坡穩定均較差。但施工簡單，投資較低，且易于檢修。工程實踐中，在低壩上采用較多。

(4)新集水庫總庫容3218 萬m3，壩高39.5m，為中型Ⅲ等水庫工程，大壩安全和壩體結構長期可靠為重中之重，同時要考慮運行期易于檢修、技術經濟合理等多種因素。依據本次有限元仿真計算分析成果，遵照規范相關規定，并參考國內類似工程實例，對三種排水方案進行對比。結果表明棱體排水方案滲流穩定和壩體安全穩定性相對較高，排水效果相對較好，其長期安全運行可靠性高，施工相對容易。因此，最終確定新集水庫均質土壩排水采用棱體排水方案。本文研究結果可為中小規模水庫均質土壩滲流與排水設計提供良好借鑒。

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