庫水作用下堆積體的流固耦合分析

何曉玉

（成都理工大學環(huán)境與土木工程學院，四川成都 610059）

堆積體是第四系堆積作用形成的松散地層，通過水庫滑坡文獻的研究，發(fā)現(xiàn)85%的水庫滑坡是在水庫建成、蓄水階段或蓄水后前兩年發(fā)生。

水庫初期蓄水、庫水位變動對堆積體都有影響。通過三峽庫區(qū)水位波動與降雨的聯(lián)合作用特征，研究了蓄水初期的穩(wěn)定性演化行為[1]；初次蓄水對壩體不利，流固耦合作用對土壩蓄水初期應力變形影響不可忽視[2]。大部分已有的研究成果關于庫水位變化對坡體地下水滲流場動態(tài)特征、穩(wěn)定性影響，有助于滑坡體內孔隙水壓力消散，有利于降低水力梯度及提高穩(wěn)定性[3-5]。庫水位上升滑坡體的滲流場及穩(wěn)定性分析表明隨著庫水位的上升，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)先減小后增大[6，7]。

本文擬以紫坪鋪水庫左岸壩前堆積體為例，應用GeoStudio，模擬和分析不同庫水位條件下堆積體的滲流場、位移，對其他工程庫水位變化與堆積體關系有一定的參考依據(jù)。

1 工程概況及監(jiān)測

1.1 工程概況

紫坪鋪水庫左岸壩前堆積體距右岸引水系統(tǒng)進水口250m 左右，距大壩618m。堆積體順坡長1620m，后緣高程1250m，前緣高程726.6m，相對高差523.4m，厚度24.9～128m，方量約2500 萬方，前緣直抵岷江。

1.2 監(jiān)測水位、位移特征

水庫蓄水前（2005.09.30 以前），監(jiān)測孔IN-02 穩(wěn)定地下水位約為846m，IN-07約為887m。

水庫初期蓄水階段（2005.09.30～2006.08.15），監(jiān)測孔穩(wěn)定水位均高于庫水位，不受影響；庫水位變動階段（2006.08.15～2007.05.23），超過IN-02 穩(wěn)定水位（約845m），庫水補給，IN-02 穩(wěn)定水位隨庫水位的變動而變動，有滯后現(xiàn)象；庫水位未超過IN-07 穩(wěn)定水位（約887m），故水位基本保持不變。

據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測，IN-02 在817m 水位時，x 方向位移數(shù)值為-0.53mm；由817m 上升到877m，x 方向位移為-10.85mm，指向坡內；由877m 下降到817m，x 方向位移為8.83mm，指向坡外。

1.3 地質概化模型

選取紫坪鋪水庫左岸壩前堆積體剖面1-1＇作為計算剖面，進行單元網(wǎng)格劃分，模型見圖1。

圖1 堆積體1-1＇地質剖面概化計算模型

1.4 計算工況

以紫坪鋪水庫左岸壩前堆積體為例，選取了3種計算工況。

工況一：蓄水前（水位高程760m）；

工況二：初期蓄水（760m 至817m）；工況三：庫水位變動（上升、下降）過程，上升817m 到877m；下降877m到817m。

2 成果分析

2.1 堆積體的滲流場分析

水庫蓄水前滲流場作為后續(xù)工況的初始條件。在760m，IN-02 模擬水位848.32m；IN-07 模擬水位882.9m；在817m，IN-02 模擬水位849.32m，IN-07 模擬水位884.3m，模擬與實測水位基本一致，表明模擬比較符合實際情況。

庫水位上升，地下水浸潤線抬升，靠地表附近地下水浸潤線48d、58d時近垂直于坡體，庫水位上升過程中浸潤線最大滯后7天；庫水位下降，坡體內的水流向坡外，地下水浸潤線下降，地下水浸潤線2d、12d、22d位置。庫水位下降到845m，交界處高程875m，表明下降過程浸潤線滯最大滯后30天，見圖2。

圖2 庫水位變動條件下邊坡迎水面浸潤線變動圖

2.2 堆積體的位移分析

水庫蓄水前的應力場看作初始，其位移為0。初期蓄水從0.78mm 到-0.88mm，表明位移指向坡內，如圖3。

圖3 不同工況下197節(jié)點x方向位移-時間等值線圖

庫水位上升時，x 位移等值線圖從右往左為8d、18d、28d，當庫水位825m，197 節(jié)點模擬x 位移為0.89mm；當庫水位835m，模擬x 位移為0.53mm；當庫水位845m，模擬x 位移為0.10mm，表明位移往x 負方向移動（坡體內移動）。庫水位下降時，x位移等值線圖從左往右依次2d、12d、22d，庫水位875m 模擬位移值2.66mm，庫水位865m 模擬位移值3.09mm，庫水位855m 模擬位移值3.57mm，表明位移往x 正方向移動（坡體外移動）。庫水位變動（上升、下降）情況下，模擬成果與實測成果吻合，如圖3。

3 結論

（1）水庫蓄水前，堆積體中的滲流對堆積體穩(wěn)定性起決定性作用。初期蓄水，地下水浸潤線在庫水位淹沒部分有明顯升高。

（2）庫水位上升過程，靠地表附近浸潤線近垂直于坡體，地下水浸潤線最多滯后7天；庫水位下降，堆積體內浸潤線緩慢下降，最多滯后30天。

（3）初期蓄水及庫水位上升，x 方向位移指向坡內；庫水位下降x方向位移指向坡外。