庫水位變化心墻壩滲流穩(wěn)定性響應特征研究

陳章淼，代 彬

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002)

壩體安全關系到水利工程的正常使用以及下游居民生產生活的安全，準確評價壩體安全是十分必要的[1]。影響壩體安全的因素眾多，水是其中一個重要的因素，水可以降低壩體材料強度，同時水壓力也是誘發(fā)壩體破壞的一個主要因素[2]，壩體自身結構設計也是影響其最終穩(wěn)定性的一個重要因素[3]。目前，針對壩體滲流、穩(wěn)定性研究的主要方法包括：數值模擬[4- 10]、理論計算[11- 12]。張寅寅等[13]使用有限元數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[14]基于Bishop理論通過FORTRAN語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。

1 心墻壩計算模型

1.1 壩體結構

萬營水庫位于萬營河上，距水城縣城約80km，集水面積7.30km2。流域處于梯級狀斜坡地帶，萬營水庫為小(1)型水庫。

水庫大壩為黏土心墻防滲風化料壩，大壩壩頂設防浪墻，墻頂高程為1579.100m，高出壩頂1.0m，壩頂高程為1578.100m、長95.135m、寬6.0m，最大壩高為41.1m。壩軸線方位角為NE20°10′5"。

壩體填筑料見表1。

表1 壩體填筑料標準

表2 材料數值模擬參數

1.2 計算參數

大壩采用黏土直心墻防滲，防滲料選用壩址附近的黏土料，上游及下游填筑區(qū)采用料場風化料、開挖洞渣料及開挖全風化料。材料參數見表2。

2 數值模擬模型建立及計算工況設計

2.1 數值模擬模型

根據心墻壩特征建立數值模擬模型(Geo-Studio)，模型地基自壩基至不透水層，建立水頭變動時間參數來模擬水頭變化過程，數值模擬計算模型如圖1所示。

圖1 數值模擬計算模型

2.2 數值模擬計算工況

為了分析不同水位變動工況(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)下心墻壩的響應特征，確定庫水位變動速率為0.2、0.5、1.0m/d，通過滲流量、浸潤線以及上、下游壩坡安全系數來反映心墻壩的響應特征。水位變動時壩體響應數值模擬計算工況見表3。

表3 計算工況

同時為了研究不同防滲墻深度對壩體防滲的影響，確定防滲墻深度為20、30、40m，研究庫水位在1556、1565、1575、1576.93m情況下的滲流情況。

2.3 數值模擬計算結果

2.3.1浸潤線分布特征

不同庫水位的壩體浸潤線如圖2所示。由圖2可知，在庫水位恒定的情況下，不同庫水位浸潤線變化曲線分布規(guī)律較為一致，在心墻部位浸潤線出現明顯的下降，這是由于心墻滲透系數較低，具有較好的防滲阻水效果。同時可以看出下游壩坡范圍內浸潤線分布較為密集，這表明上游壩坡的浸潤線高度比下游壩坡的浸潤線浸潤線高度對庫水位的變動響應更為敏感。

圖2 20m防滲墻不同庫水位浸潤線

不同庫水位上升速率壩體浸潤線變化情況如圖3所示。由圖3可知，水位變化時浸潤線變化規(guī)律與靜態(tài)水位變化規(guī)律明顯不同，浸潤線突降部位位于心墻上游處，高水位浸潤線與低水位浸潤線在心墻下游邊界處匯集，水位上升過程中，浸潤線分布較為密集。

圖3 不同水位上升速率的浸潤線分布特征

2.3.2防滲墻深度對滲流的影響

不同防滲墻深度對滲流量影響的計算結果如圖4所示。由圖4中可知，心墻壩滲流量與庫水位高程呈正相關關系，與防滲墻深度呈負相關關系；滲流量隨著庫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4 不同深度的防滲墻滲流量

2.4 壩體穩(wěn)定性計算結果

2.4.1不同庫水位的壩體穩(wěn)定性分析

壩體穩(wěn)定性是壩體安全性的直接反應，具有重要的研究意義和實際價值。上游壩坡、下游岸坡安全系數與庫水位關系見圖5。由圖5中可知庫水位越高，上游壩坡安全系數越低，下游壩坡安全系數越高，3種防滲墻深度，上游壩坡均處于安全，但下游壩坡只在防滲墻深度為40m時處于安全。

圖5 不同庫水位與上、下游壩坡安全系數關系

2.4.2水位變動對壩體穩(wěn)定性的分析

水位變動過程中，壩坡安全系數變化過程如圖6。由圖6中可知，在初始狀態(tài)下，壩坡安全系數均處于較高水平，在水位變動過程中，壩坡安全系數處于一個動態(tài)變化的過程，隨著庫水位的上升，壩體安全系數逐漸減小，且水位變動速率越大，初期安全系數變化幅度越大，但水位達到最高值并穩(wěn)定一段時間后，各個工況的安全系數趨于一致；之后隨著水位降低，壩坡安全系數逐漸增大，且當到達同一水位高程時，水位下降越慢，壩坡的安全系數越高。這主要是因為，在庫水位快速下降過程中，壩坡內部的水并未完全排出，壩坡材料處于飽水狀態(tài)，強度較低，且?guī)焖焖傧陆到档土怂畨毫纹路€(wěn)定產生的正向作用。

圖6 壩坡安全系數與水位變動速率關系

3 結論

以萬營水庫心墻壩為例，通過數值模擬對心墻壩庫水位變動響應機理進行研究，獲得以下主要結論。

(1)在心墻部位浸潤線會出現陡降，這表明心墻具備較好的防滲效果。

(2)隨著防滲墻深度的增加、庫水位的降低，滲流量逐漸減小。

(3)壩坡安全系數與庫水位關系密切，庫水位越高，壩體安全系數越小，且?guī)焖蛔儎铀俾试酱螅踩禂底兓絼×遥虼嗽谛钏⒎篮榕潘^程中應保證庫水位的變化速率以保證壩體的安全。