庫(kù)水位對(duì)心墻壩滲流穩(wěn)定影響研究

陳章淼，代 彬

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550002)

1 概述

壩體安全關(guān)系到水利工程的正常使用以及下游居民生產(chǎn)生活的安全，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)壩體安全是十分必要的[1]。影響壩體安全的因素眾多，水是其中一個(gè)重要的因素，水可以降低壩體材料強(qiáng)度，同時(shí)水壓力也是誘發(fā)壩體破壞的一個(gè)主要因素[2]。同時(shí)壩體自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是影響其最終穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素[3]。目前，針對(duì)壩體滲流、穩(wěn)定性研究的主要方法包括：數(shù)值模擬[4- 10]、理論計(jì)算[11- 13]；張寅寅等[14]使用有限元數(shù)值模擬分析不同排水條件下土壩滲流及穩(wěn)定性情況；魏玉師[15]基于BiShop理論通過(guò)FORTRAN語(yǔ)言自編滲流分析軟件，研究非飽和尺度土坡滲流及穩(wěn)定性情況。

2 心墻壩計(jì)算模型

2.1 壩體結(jié)構(gòu)

萬(wàn)營(yíng)水庫(kù)位于萬(wàn)營(yíng)河距水城縣城約80km，集水面積7.30km2。流域處于梯級(jí)狀斜坡地帶，萬(wàn)營(yíng)水庫(kù)工程為小(1)型水庫(kù)。

水庫(kù)大壩為粘土心墻防滲風(fēng)化料壩殼壩，大壩壩頂設(shè)防浪墻，墻頂高程為1579.100m，高出壩頂1.0m，壩頂高程為1578.100m、長(zhǎng)95.135m、寬6.0m，最大壩高41.1m。壩軸線方位角NE20°10′5″。

壩體材料分區(qū)、壩體填筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及大壩標(biāo)準(zhǔn)剖面如圖1所示，填筑料見(jiàn)表1。

2.2 計(jì)算參數(shù)

大壩的采用粘土直心墻防滲，防滲料選用壩址附近的粘土料，上游及下游填筑區(qū)采用料場(chǎng)風(fēng)化料、開(kāi)挖洞渣料及開(kāi)挖全風(fēng)化料。材料參數(shù)見(jiàn)表2。

3 數(shù)值模擬模型及計(jì)算工況設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)值模擬模型

根據(jù)心墻壩特征建立數(shù)值模擬模型(Geo-Studio)，模型地基自壩基至不透水層，建立水頭變動(dòng)時(shí)間參數(shù)模擬水頭變化過(guò)程，數(shù)值模擬計(jì)算模型如圖2所示。

3.2 數(shù)值模擬計(jì)算工況

為了分析不同水位變動(dòng)工況(正常蓄水位到死水位，30年一遇洪水位到正常蓄水位，死水位到正常蓄水位，正常蓄水位到30年一遇洪水位)下心墻壩的響應(yīng)特征，確定庫(kù)水位變動(dòng)速率為0.2、0.5、1.0m/d，通過(guò)滲流量、浸潤(rùn)線以及上、下游壩坡安全系數(shù)反映心墻壩的響應(yīng)特征。水位變動(dòng)壩體響應(yīng)數(shù)值模擬計(jì)算工況見(jiàn)表3。

表3 計(jì)算工況

表1 壩體填筑標(biāo)準(zhǔn)

表2 數(shù)值模擬參數(shù)

圖2 數(shù)值模擬計(jì)算模型

同時(shí)為了研究不同防滲墻深度對(duì)壩體防滲的影響，確定防滲墻深度分別為20、30、40m，研究庫(kù)水位分別在1556、1565、1575、1576.93情況下的滲流情況。

3.3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

3.3.1浸潤(rùn)線分布特征

不同庫(kù)水位壩體浸潤(rùn)線如圖3所示。從圖3可知，在庫(kù)水位恒定的情況下，不同庫(kù)水位浸潤(rùn)線變化曲線分布規(guī)律較為一致，在心墻部位浸潤(rùn)線出現(xiàn)明顯的下降，這是由于心墻滲透系數(shù)較低具有較好的防滲阻水效果。同時(shí)可以看出下游壩坡范圍內(nèi)浸潤(rùn)線分布較為密集，這表明上游壩坡浸潤(rùn)線高度與下游壩坡相比對(duì)庫(kù)水位的變動(dòng)響應(yīng)更為敏感。

圖3 20m防滲墻不同庫(kù)水位浸潤(rùn)線

不同庫(kù)水位上升速率壩體浸潤(rùn)線變化情況如圖4所示。從圖中可知，水位變化時(shí)浸潤(rùn)線變化規(guī)律與靜態(tài)水位變化規(guī)律明顯不同，浸潤(rùn)線突降部位位于心墻上游處，高水位與低水位浸潤(rùn)線在心墻下游邊界處匯集，水位上升過(guò)程中，浸潤(rùn)線分布較為密集。

圖4 不同水位上升速率浸潤(rùn)線分布特征

3.3.2防滲墻深度對(duì)滲流的影響

不同防滲墻深度滲流量計(jì)算結(jié)果如圖5所示。從圖中可知，心墻壩滲流量與庫(kù)水位高程呈正相關(guān)關(guān)系，與防滲墻深度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；滲流量隨著庫(kù)水位的增高以及防滲墻深度的減小而增大。這表明隨著防滲墻深度的增加，其防滲堵水效果越好。

圖5 不同深度防滲墻滲流量

3.4 壩體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

3.4.1不同庫(kù)水位壩體穩(wěn)定性分析

壩體穩(wěn)定性是壩體安全性的直接反應(yīng)，具有重要的研究意義和實(shí)際價(jià)值。上游壩坡、下游岸坡安全系數(shù)與庫(kù)水位關(guān)系如圖6所示。從圖中可知庫(kù)水位越高上游壩坡安全系數(shù)越低、下游壩坡安全系數(shù)越高，3種防滲墻深度，上游壩坡均處于安全情況，但下游壩坡在防滲墻深度為40m時(shí)處于安全情況。

圖6 不同庫(kù)水位上、下游壩坡安全系數(shù)

3.4.2水位變動(dòng)壩體穩(wěn)定性分析

圖7 壩坡安全系數(shù)與時(shí)間關(guān)系

水位變動(dòng)過(guò)程中，壩坡安全系數(shù)變化過(guò)程如圖7所示。從圖中可知，在初始狀態(tài)下，壩坡安全系數(shù)均處于相對(duì)較高的水平，在水位變動(dòng)過(guò)程中，壩坡安全系數(shù)處于一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，隨著庫(kù)水位的上升，壩體安全系數(shù)逐漸減小，且水位變動(dòng)速率越大，初期安全系數(shù)變化幅度越大，但水位達(dá)到最高值并穩(wěn)定一段時(shí)間后，各個(gè)工況的安全系數(shù)趨于一致；之后隨著水位降低，壩坡安全系數(shù)逐漸增大，且水位下降越慢到達(dá)同一水位高程時(shí)，壩坡的安全系數(shù)越高，這主要是因?yàn)椋趲?kù)水位快速下降過(guò)程中，壩坡內(nèi)部的水并未完全排出，壩坡材料處于飽水狀態(tài)，強(qiáng)度較低，且?guī)焖焖傧陆到档土怂畨毫?duì)壩坡穩(wěn)定產(chǎn)生的正向作用。

4 結(jié)論

以萬(wàn)營(yíng)水庫(kù)心墻壩為例，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)心墻壩庫(kù)水位變動(dòng)響應(yīng)機(jī)理進(jìn)行研究，得出主要結(jié)論如下：

(1)在心墻部位浸潤(rùn)線會(huì)出現(xiàn)陡降，表明心墻具備較好的防滲效果。

(2)隨著防滲墻深度的增加、庫(kù)水位的降低滲流量逐漸減小。

(3)壩坡安全系數(shù)與庫(kù)水位關(guān)系密切，庫(kù)水位越高壩體安全系數(shù)越小且?guī)焖蛔儎?dòng)速率越大安全系數(shù)變化越劇烈，因此在蓄水、防洪排水過(guò)程中應(yīng)保證庫(kù)水位的變化速率保證壩體的安全。