考慮飽和-非飽和滲流的土石壩滲流及穩定性計算

張守仁 （安徽省地質實驗研究所，安徽 合肥 230000）

1 引言

土石壩施工簡單，地質條件要求低，造價便宜，因此是水利工程建設中一種重要的壩形[1]。在水庫運行期，土石壩的滲流場實際上是飽和滲流場與非飽和滲流場的統一結合體[2-4]。然而在目前常規的滲流分析中，往往只考慮了壩體在飽和滲流狀態下的滲流和穩定性計算情況，并運用該結果來指導土石壩的施工。然而這與壩體的實際滲流場分布不相符，應用該結果來指導實踐必將出現偏差，不利于施工安全。因此，開展土石壩在飽和-非飽和滲流狀態下的滲流計算和穩定性計算是極有必要的。

鑒于此，本文以某土石壩為研究對象，基于Geostudio軟件的滲流計算和穩定性計算結果，分析了該土石壩在考慮飽和-非飽和滲流狀態下的滲流計算結果與穩定性計算結果，以期能為后面的工程提供參考。

2 工程概況

某土石壩位于山脊埡口處，壩基坐落在原生土層上，下伏巖石為強風化泥巖夾砂巖，強風化基巖一般在壩軸線處凸起成鞍形。該土石壩為粉質粘土含粘質砂土均質壩，壩頂為泥結石路面，壩頂高程728.05m～728.08m，壩頂寬4.93m，上游側設1.2m高防浪墻。壩軸線長24.5m，最大壩高2.23m。上游壩坡坡比為1:1.2，采用混凝土預制塊護坡；下游壩坡綜合坡比為1:1.93，無排水設施。

3 滲流計算

3.1 工程概況

本文采用Geo-studio軟件進行數值模擬計算，根據工程資料建立了數值網格模型。模型共有6780個節點，6846個單元，網格模型圖及材料分類如圖1所示。

圖1 整體數值網格模型

3.2 計算參數

對于非飽和土有兩個較為重要的參數，分別為土水特征曲線和滲透系數。目前國內外常通過在少量試驗的基礎上建立模型對土水特征曲線進行預測[5]。本文中壩體材料的非飽和滲透系數采用Geo-studio軟件內置的Frelund和Xing模型來擬合獲得。在水庫運行期內，基巖處于庫水的長期浸泡中，基本處于飽和狀態，因此設置滲透系數時直接設定為飽和滲透系數值，本文在進行滲流計算時主要考慮壩體材料中占比較大的粉質粘土、填土和砂礫石等材料的非飽和滲透系數。

3.3 邊界條件

土石壩在庫水位穩定在某一水位或庫水位變動條件下滲流問題的邊界條件為水頭邊界條件，可表達為：

H(x，y，t)|s=H1(x,y,t)

式中，H(x,y)表示在二維條件下土石壩模型某一邊界S在t時刻的水頭，根據土石壩在穩定或變化庫水位情況下的滲流條件，可確定該邊界S的水頭邊界值H1(x,y,t)。

滲流計算參數 表1

土壩壩坡穩定計算各材料物理力學指標 表2

3.4 計算工況

本次計算擬計算正常蓄水位和校核洪水位兩種工況，分別如下

工況1：正常蓄水位（724m）+下游無水；

工況2：校核洪水位（727.08m）+下游無水；

3.5 計算結果

3.5.1 正常蓄水位工況

圖2 正常蓄水位工況下僅考慮飽和土和考慮非飽和土的滲流結果對比圖

該土石壩在正常蓄水位工況下的滲流計算結果表明，考慮飽和-非飽和滲流計算結果的浸潤線相對于考慮飽和滲流計算結果的浸潤線較高?？紤]飽和滲流計算結果得出的土石壩單寬滲流量為5.560×10-4 m3/d·m，而考慮飽和-非飽和滲流計算結果得出的土石壩單寬滲流量為8.037×10-4 m3/d·m。因此，考慮飽和-非飽和滲流計算結果得出的滲流量相較于考慮飽和滲流計算得出的滲流量要大很多。

3.5.2 校核洪水位工況

該土石壩在校核洪水位工況下的滲流計算結果表明，考慮飽和-非飽和滲流計算結果的浸潤線相對于考慮飽和滲流計算結果的浸潤線較高。僅考慮飽和滲流計算結果的土石壩單寬滲流量為8.380×10-4m3/d·m，而考慮飽和-非飽和滲流計算結果的土石壩單寬滲流量為12.113×10-4m3/d·m。故考慮飽和-非飽和滲流計算結果得出的滲流量相較于考慮飽和滲流計算得出的滲流量要大。

4 穩定性計算

土石壩的穩定性計算在前期滲流計算結果的基礎上進行，使用的是Geo-studio軟件的slope/w模塊，分別使用簡化畢肖普法、瑞典圓弧法、簡布法以及摩根斯坦法進行計算。

4.1 計算參數

本次穩定性計算所需的參數如表2所示。

4.2 計算結果

正常蓄水位和校核洪水位兩種工況下分別基于飽和土滲流計算結果和飽和-非飽和滲流計算結果的壩坡穩定性結果見表3和表4。

基于飽和滲流計算結果得出的壩坡最小安全系數 表3

基于飽和-非飽和滲流計算結果得出的壩坡最小安全系數 表4

從表3和表4可以看出，在正常蓄水位工況和校核洪水位兩種工況下，基于飽和-非飽和滲流計算結果的壩坡最小安全系數較基于飽和土滲流計算結果的最小安全系數小，更加偏于安全。

5 結論

在實際工程中，土石壩大部分均為非飽和壩，應當用飽和-非飽和土滲流的計算結果來指導工程建設。本文以某土石壩為研究對象，使用Geo-studio軟件分析了該土石壩在僅考慮飽和滲流和考慮飽和-非飽和滲流兩種狀態下的滲流計算結果和穩定性結果，得出以下結論：

①考慮飽和-非飽和滲流計算得出的壩體浸潤線相較于僅考慮飽和滲流的壩體浸潤線位置高；

②考慮飽和-飽和滲流的壩體穩定性計算結果相較于僅考慮飽和滲流的壩體穩定性計算結果要偏小。在實際工程計算中，若僅考慮飽和滲流進行壩體的穩定性計算要留有一定的安全裕度。