基于GeoStudio 土石壩滲流穩(wěn)定分析

李宏春

（湖南創(chuàng)力工程技術(shù)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

湖南省境內(nèi)已建成的土石壩較為普遍。由于受當(dāng)時(shí)技術(shù)和施工水平限制，遺留問題比較多，在中小型水庫(kù)除險(xiǎn)加固中，滲流穩(wěn)定復(fù)核往往是設(shè)計(jì)重點(diǎn)。本文案例采用GeoStudio 軟件計(jì)算，與傳統(tǒng)的力學(xué)分析方法相比，計(jì)算后處理功能強(qiáng)、結(jié)果直觀形象；各模塊參數(shù)輸入多樣化，而且比較系統(tǒng)全面，更貼近真實(shí)情況，各模塊在模擬不同工況下能更好地反映實(shí)際工程狀態(tài)。

1 GeoStudio 系統(tǒng)軟件介紹

GeoStudio 是一套專業(yè)的巖土工程和環(huán)境巖土工程仿真分析軟件，GeoStudio 系統(tǒng)軟件采用有限元法分析和模擬巖土工程中的各種狀態(tài)，在巖土、地質(zhì)、水利、環(huán)境、采礦、交通工程等領(lǐng)域均可以應(yīng)用，該軟件為加拿大軟件商開發(fā)，用戶覆蓋全球100 多個(gè)國(guó)家，在國(guó)內(nèi)亦擁有眾多的用戶群體，尤其是許多水利系統(tǒng)設(shè)計(jì)院所均采用此程序計(jì)算。

滲流分析采用GeoStudio 系統(tǒng)軟件中《SEEP/W 地下水滲流分析軟件》計(jì)算。本模塊能計(jì)算穩(wěn)定滲流期、非穩(wěn)定滲流期，不同壩型、任意斷面的滲流狀況。為設(shè)計(jì)壩腳排水棱體作參考依據(jù)。

穩(wěn)定分析采用GeoStudio 系統(tǒng)軟件中《SLOPE/W 邊坡穩(wěn)定性分析軟件》計(jì)算。該程序可以同時(shí)用畢肖普法、瑞典法、非圓弧滑動(dòng)采用摩根斯頓-普萊斯法自動(dòng)找到最危險(xiǎn)的滑弧位置，并分別計(jì)算不同工況下的安全系數(shù)。

2 應(yīng)用實(shí)例

某水庫(kù)由大壩、溢洪道、灌溉輸水設(shè)施等建筑物組成。大壩加高后為粘土固化劑防滲心墻土石壩，壩頂高程305.2 m，最大壩高29.2 m，壩頂寬度5 m，壩頂軸線長(zhǎng)205m。水庫(kù)正常蓄水位為302m，設(shè)計(jì)洪水位（P=2%）為302.97 m，校核洪水位（P=0.2%）為303.26 m。加固后下游壩坡的坡比依次為1∶2.26、1∶2.6。加固后上游壩坡坡比依次為1∶2.52、1∶2.52，上游壩坡采用混凝土預(yù)制塊進(jìn)行護(hù)坡，下游壩坡草皮護(hù)坡，下游壩腳重修排水棱體。

1）滲流計(jì)算

軟件滲流分析主要采用流網(wǎng)法，考慮分層土和各向異性土，模擬分析下游壩的出逸點(diǎn)和壩體內(nèi)浸潤(rùn)線，壩坡穩(wěn)定根據(jù)模擬后浸潤(rùn)線成果進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。大壩壩身為防滲心墻壩，壩基為帷幕灌漿，各部位的滲透系數(shù)不同，根據(jù)各分區(qū)情況選取（表1）。

滲流計(jì)算主要按五種工況，計(jì)算條件如下：

①上游設(shè)計(jì)洪水位302.97 m，下游無水276.1 m；

②上游正常蓄水位302.1 m，下游無水276.1 m；

③上游校核洪水位303.28 m，下游無水276.1 m；

④上游不利水位（1/3 壩高）285.7 m，下游無水276.1 m；

表1 大壩各區(qū)滲透系數(shù)計(jì)算指標(biāo)

⑤上游正常水位302.1 m 驟降至死水位279.0 m，下游無水276.1 m；

軟件利用水頭轉(zhuǎn)化邊界，通過迭代求解得到溢出點(diǎn)位置。滲流計(jì)算典型圖見圖1。

2）壩坡穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)地質(zhì)專業(yè)提供的大壩物理力學(xué)指標(biāo)，將表2數(shù)據(jù)輸入《SLOPE/W 邊坡穩(wěn)定性分析軟件》模塊。

圖1 正常水位滲流計(jì)算圖

表2 大壩各區(qū)的物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)

通過程序分步調(diào)用滲流計(jì)算成果，計(jì)算大壩下游壩坡穩(wěn)定和上游壩坡穩(wěn)定。下游壩坡穩(wěn)定工況分別為：設(shè)計(jì)水位302.97 m、正常水位302.1 m、校核水位303.28 m 情況下，上游壩坡穩(wěn)定工況分別為上游不利水位285.7 m（1/3 壩高）及上游水位由正常蓄水位295.78 m 快速降至死水位279.0 m，共5 種工況。

《SLOPE/W》模塊主要根據(jù)有限元法計(jì)算原理，分析壩體內(nèi)各工況下應(yīng)力狀態(tài)，計(jì)算上下游壩坡最不穩(wěn)定的滑弧位置；與《SEEP/W》模塊結(jié)合可以處理更復(fù)雜的水壓力分布，與《QUAKE/W》模塊結(jié)合可以考慮地震力對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響。大壩壩坡穩(wěn)定計(jì)算圖見圖2。

圖2 正常水位下游壩坡穩(wěn)定計(jì)算圖

3 結(jié) 語

由于地質(zhì)環(huán)境和工程方案的多樣性，各種灌漿材料的應(yīng)用，以及防滲墻技術(shù)的改進(jìn)，采用傳統(tǒng)的力學(xué)分析辦法，已很難應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的計(jì)算工況，尤其是數(shù)值分析、難點(diǎn)問題，采用GeoStudio 系統(tǒng)軟件作為設(shè)計(jì)工具，可以優(yōu)化設(shè)計(jì)成果，追蹤發(fā)展趨勢(shì)及熱點(diǎn)，為設(shè)計(jì)人員提供高效、便捷的工作途徑。