上軟下硬型邊坡滲流特征分析

張科亮

(臨沂市河東區水務局，山東 臨沂 276034)

我國作為一個水利大國，在水利水電工程的修建、運營過程中難以避免地會遇到一些不穩定庫岸邊坡，面對這類棘手的工程地質難題，水利行業內越來越多的學者、技術人員逐漸意識到，對不穩定斜坡的變形機制進行研究具有十分重要的意義[1-5]。目前國內外學者對已經做了很多研究[6-8]。

通過文獻調研發現，近年來，行業相關人員圍繞這類課題做的工作主要集中于以下幾個方面：以實際工程為研究背景，將施工過程和地質體的關系耦合起來協同研究[9]。抑或者是將傳統的傳遞系數法與地理信息技術(如ARCGIS)相結合，不僅可解決穩定性定量計算，還可實現穩定性分區[10-11]，除了與現場結合越來越緊密，并進行跨學科研究之外，還有學者將傳統的穩定性計算方法進行了改良，提出了與現場實際情況更為接近的穩定性評價方法[12]，這些科研成果都在一定程度上推動著行業的不斷革新。

本文以丁莊水庫為例，對其滲流場進行了模擬。首先通過勘查資料建立了斜坡工程地質模型，在明確了地下水位線的基礎上，使用SWEEP/W模塊建立了滲流模型，通過施加水頭的方式來模擬初始水位，計算了這類型斜坡的滲流場，研究成果有望對類似工程提供一定的借鑒意義。

1 工程概況

丁莊水庫主要位于山東省德州地區陵縣洼地處，是一座圍壩型水庫。黃河水為其提供充足的水源，通過借助潘莊干渠，使得黃河水順利流入到馬頰河中，然后，利用泵站，起到堤水入庫的作用。該水庫紐約工程主要由出庫泵站、隔壩、泄水洞組成。工程等別為三等，大壩和引水泵站建筑物等級為三級，其他建筑物均為5級，庫區面積、圍壩軸線長度、總庫容量分別達到了4.86 km2、9.12 km、3 254×104m3。大壩外觀以均質壩型為主，壩高達到了9.1 m。壩頂高程、防浪墻高和壩頂寬度分別達到了24.9 m、1.19 m、6.9 m。隔壩主要分布在入庫泵站和出庫泵站中間地帶中，壩頂高程、壩頂寬度和壩長分別達到了25.9 m、9 m、969 m。在圍壩沿庫位置處，需要將黏土設置在壩腳處，總鋪蓋面積達到了50 m。

根據斜坡特征，構建了工程地質模型，如圖1所示，該工程地質模型可為后文的滲流分析提供計算基礎。

圖1 工程地質模型

2 穩態滲流場計算與分析

2.1 計算模型設計

圖2 體積含水量(堆積體)

圖3 體積含水量(基巖)

完成了體積含水量測算后，進行水力傳導率估計，估計結果見圖4～圖5。

圖4 堆積體水力傳導率估計結果

圖5 基巖水力傳導率估計結果

網格形狀方面，一般采用四邊形較好，但是局部幾何空間不滿足的情況，最好采用三角形單元嵌入，總之盡可能采用“總體四邊形單元，具體三角形單元”的方式進行網格劃分。

2.2 計算結果及分析

在明確了數值計算模型與分析方法后進行計算。水平向傳導速率計算結果如圖6所示。

圖6 水平向水力傳導速率計算結果

地下水埋深低于堆積體，未從坡體表面滲流出來，水流總體自西向東流動，高點相對低點的流動速率相對更小，最高點流動速度達到0.05 m/s，最低點流動速度約0.65 m/s，速度最大相差0.6 m/s，在右側邊界處存在速率集中的現象，這是由于邊界條件限制導致的，在實際工況中其滲流速率相對更小。

研究區的水頭和壓力水頭云圖計算結果如圖7～圖9所示。

圖7 XY向水利傳導速率計算結果

圖8 壓力水頭云圖

圖9 總水頭云圖

邊坡壓力水頭計算結果顯示，邊坡前緣出現壓力水頭集中的情況，量值達到0.002 m，河岸右側出現壓力水頭集中，對整體穩定性影響較小。從總水頭云圖計算結果來看，滲流方向較為合理，與實際地下水位線基本一致，說明滲流分析計算結果具有一定的科學性和合理性，為工程施工作業的有效開展提供重要的依據和參考。

邊坡空隙水壓力計算結果如圖10所示。

圖10 孔隙水壓力云圖

孔隙水壓力云圖結果顯示，邊坡的孔隙水壓力云圖分布較為規律，與重力場基本一致，說明該邊坡淺表生改造作用較弱，滲流方向受地形地貌、重力控制，在后續邊坡改造過程中，要尤其注意對坡體幾何形態的影響。在量值方向上來看，最大孔隙水壓大于等于180 kpa，位于坡體深部，從坡體深部到坡表孔隙水壓力逐漸變小。因此，相關人員要根據邊坡空隙水壓力變化特點，實現對地下水水位線的科學控制，以達到降低河谷右岸塌岸風險的目的 ，從而有效地避免傷亡事件的發生。

3 結語

本文以丁莊水庫為例，對其滲流場進行了模擬。首先通過勘查資料建立了斜坡工程地質模型，在明確了地下水位線的基礎上，使用SWEEP/W模塊建立了滲流模型，通過施加水頭的方式來模擬初始水位，計算了這類型斜坡的滲流場，在此過程中形成了以下三點結論：

(1)本工點采用Geo-sweep/w中的一種名叫Fredlund估計方法，使用該方法進行了滲流計算，發現與實際地下水位線較溫和，說明這種方法具有準確性高、計算效率高的特點，因此本文采用這種計算方法基本是可行的。今后在類似工程中，可充分考慮這種計算方法的可行性，以達到提高工程施工水平，縮短工程施工周期的目的。

(2)地下水埋深低于堆積體，未從坡體表面滲流出來，水流總體自西向東流動，高點相對低點的流動速率相對更小，最高點流動速度達到0.05 m/s，最低點流動速度約0.65 m/s，速度最大相差0.6 m/s，在工程實踐中，要尤其注意坡腳的滲流場變化，只有這樣，才能實現對庫水邊坡的滲流場變化有效控制，避免巖體變形現象的發生，從而降低滑坡突發事件出現的可能性，為保障人們的生命安全和財產安全打下堅實的基礎。

(3)邊坡的孔隙水壓力云圖分布較為規律，與重力場基本一致，說明該邊坡淺表生改造作用較弱，滲流方向受地形地貌、重力控制，在后續邊坡改造過程中，要尤其注意對坡體幾何形態的影響。在量值方向上來看，最大孔隙水壓大于等于180 kpa，位于坡體深部，從坡體深部到坡表孔隙水壓力逐漸變小。

總之，為了降低河谷右岸的塌岸風險，保證庫岸邊坡的穩定性，相關人員要要以“上軟下硬型庫水邊坡”為研究對象，加強對其滲流特征的分析，同時，還要構建斜坡工程地質模型，從而更好地了解和把握地下水位線所在位置，確保地下水現在基巖層下方，以達到提高斜坡的穩定性的目的，此時，水流的滲流方向會沿著斜坡中部位置流向河谷位置，此外，還要在綜合考慮河谷右岸存在塌岸風險的基礎上，確保水利工程建設工作能夠正常、穩定、有序地開展，只有這樣，才能提高水利工程施工質量和施工進度，為提高施工單位的社會效益和經濟效益提供有力的保障。