基于Geo-Studio軟件龍坑口水庫土壩滲流穩定性分析

陳景輝

(開平市水口鎮農業綜合服務中心，廣東 開平 529300)

1 概 述

我國水庫數量位居世界榜首，多數修建于 20 世紀 50-70 年代，因施工處理不當、填筑標準低、大壩及堤防工程建設失控、建設工程監管不嚴、技術開發落后、違章施工等不利因素引發系列安全問題，造成大壩及堤防滲漏、壩體裂縫、壩體滲流等事件[1-2]。因此，探討綜合考慮滲流、變形等穩定性分析方法具有重要的理論意義和工程實用價值[3]。

目前，許多學者針對土壩滲流進行了大量研究。杜二霞[4]采用有限元的方法對均質土壩二維穩定和非穩定滲流進行了分析，并編制了二維穩定和非穩定滲流情況下計算各滲流要素的有限元分析程序。趙曉西等[5]根據基本方程及定解條件的比較分析,將ANSYS 軟件的溫度場分析功能應用于滲流場的分析,利用 APDL 語言實現了滲流參數化建模對其穩定性進行分析。周建國等[6]建立了飽和-非飽和非穩定滲流計算模型,采用三維有限元方法，模擬了壩址區域地下水位在水庫蓄水過程中的動態變化過程，并對壩體穩定性進行分析。溫岷峰[7]采用有限元法對某水庫土壩滲流進行分析,并將計算浸潤線與實測浸潤線進行比較。黃夢婷等[8]運用Auto Bank有限元分析軟件，對杏山水庫土壩進行滲流穩定分析。賽麥提[9]在排滲池內對土壩進行建模,并分析壩體上游水位波動引起的滲流問題。王毅[10]基于比例邊界有限元方法(SBFEM)，針對壩體上游水庫為半無限棱柱形、壩前庫區形狀不規則的情況，完善了大壩-地基-庫水系統動力響應的有限元和SBFEM耦合計算模型。劉美意[11]通過某工程實例,對水庫土壩滲漏穩定展開分析,并提出了相關除險措施。

本文以龍坑口水庫為例，采用Geo-Studio軟件中SEEP/W進行大壩滲流分析，同時采用SLOPE/W程序中4種不同的極限平衡邊坡穩定性方法，對大壩上下游邊坡穩定性進行分析，研究結果可為類似工程提供參考。

2 工程概況

龍坑口水庫位于開平市水口鎮沙岡區街道辦事處寺前圩北面梁金山南麓,屬潭江新橋水,保護耕地80hm2。經過多年運行,部分工程建筑物損壞,影響水庫安全，于2004年對水庫進行了除險加固。主要除險加固項目有：①大壩加固工程；②溢洪道加固工程；③輸水涵管加固工程；④防汛公路等。

其中，水庫有溢洪道1座，位于大壩左側，為鋼筋混凝土結構開敞式河岸正槽等寬矩形溢洪道。溢洪道堰頂寬12.00m，堰頂高程25.36m，最大下泄流量76.30m3/s，采用挑流消能。水庫有放水涵管一座,位于大壩中部偏左處,為鋼筋混凝土方形涵管內套鋼管結構,過水斷面尺寸為0.8m，采用閘門控制放水，進口高程為18.60m，長70.00m，設計流量0.5m3/s。防汛公路長2km,為砼路面。大壩下游壩肩、壩腳設有排水溝,下游壩腳設有排水棱體，排水棱體完整且有效,但排水棱體及壩腳排水溝內側有砂漿勾縫，不利于排出壩體滲水。現場檢查溢洪道整體外觀良好,主體砼結構表面基本平整,無剝蝕、沖刷現象，未見沉降、傾斜等變形異常，但進口右側擋墻局部有裂縫；泄槽底板有三道較明顯的橫縫；左岸山體常年有股清水流出，滲漏量較大，因此有必要對壩體穩定性和滲流進行分析。

3 數值模型建立

本文建立的大壩數值模型結構中，大壩橫斷面的尺寸、材料區域和土壤性質根據現場試驗取得，大壩有心墻、壩體、壩基、反濾層，總高度24.4 m，最高水位可達22.6 m，土壤水特征曲線(SWCC)是分析非飽和材料條件下土壩的關鍵部分。由于大壩材料的實測SWCC不可用，因此本文的心墻計算參數根據勘測數據進行估算取得。本次采用Geo-Studio軟件進行分析，包括瞬態滲流分析以確定水位下降期間的孔隙水壓力，以及上游壩坡的穩定性分析，兩種分析均在自動耦合模式下進行。表1為計算參數，圖1為具體壩體尺寸。

表1 數值計算參數

圖1 壩體尺寸

本次計算的滲流模擬主要采用SEEP/W中的有限元方法，分別模擬快速降深前和降深過程中土壩的二維穩態滲流和瞬態滲流變化。該程序采用有限元方法，求解二維滲流的一般控制微分方程為：

(1)

式中：H為總水頭；kx為X方向的導水率；ky為Y方向的導水率；Q為邊界通量；θ為體積含水量；t為時間。

而對于大壩穩定性分析模塊，本文采用SLOPE/W計算程序，根據力和力矩的極限平衡理論，采用以下兩個獨立方程式來估算抗破壞安全系數，其中應滿足力矩平衡和水平力平衡：

(2)

(3)

式中：A為外力的合力；E為水平片間法向力；N為作用在切片底座上的總法向力；X為垂直層間剪力；kW為施加在每個切片中心的水平荷載；W為每一切片的總重量。

4 數值結果分析

4.1 滲流分析

本文利用Geo-Studio軟件對壩體(殼心)和壩基的滲流進行研究。圖2為壩體的滲流邊界條件，網格剖分包括四邊形和三角形單元，分別有4個和3個節點。假設壩頂蓄水位是邊坡左邊界的臨界情況，恒定總水頭邊界，其值為22.6m, 下游側的水頭為0 m，首先確定浸潤線，以表示流網的頂部水力邊界, 然后進行穩態滲流分析。圖3為壩體的滲流計算結果。圖3中，在穩態條件下，浸潤線穿過下游斜坡處的壩體，不與下游面相交，因此不會導致下游邊坡軟化或坍塌而導致后續破壞。此外，最大孔隙水壓力位于上游過渡帶底部，這是因為最大水位(22.6 m)下的初始孔隙水壓力高于任何其他水位下的值。孔隙水壓力隨著水位、速度矢量大小(矢量箭頭)、通過顆粒的流動路徑和通過壩體的平均水流速度的增加而增加，平均流速為0.061 279 m3/d。圖4為距壩基不同距離處的水力梯度值。由圖4可知，水平和垂直水力梯度的最大值出現在下游出口點，分別為0.63和0.17，最大水平和垂直水力梯度小于1。

圖2 壩體的滲流邊界條件

圖3 壩體的滲流計算結果

圖4 距壩基不同距離處的水力梯度值

4.2 邊坡穩定性分析

目前，邊坡穩定性分析的極限平衡方法均是基于有關層間法向力(E)和剪力(T)的某些假設成立的，包括Bishop、Janbu、Morgenstern-Price和常規極限平衡方法。本文所使用的有限元程序SLOPE/W均包含了以上分析方法，這些方法的基本區別在于力的確定或假設方式。圖5為通過Janbu法計算得出的邊坡安全系數。根據圖5可知，Janbu法計算出的上游邊坡安全系數為2.874，而下游邊坡安全系數要低于上游邊坡，為2.121。圖6為通過Bishop法計算得出的邊坡安全系數。由圖6可知，Bishop法計算出的上游邊坡安全系數為3.811，而下游邊坡安全系數同樣要低于上游邊坡，為2.831。同時，本文采用的Morgenstern-Price和普通條分法所計算出來的上下游邊坡安全系數分別為3.521、2.711和3.181、2.398。

由此可知，Janbu法在上游和下游邊坡中產生的安全系數最低，而Bishop方法在上游和下游邊坡中產生的安全系數最高，但所有獲得的安全系數值均高于1，預計不會出現邊坡破壞。此外，Morgenstern-Price方法被認為是最適合用于圓形和非圓形破壞表面的方法，并滿足基本法向力的垂直力平衡。

4.3 大壩加固分析

通過以上數值模擬分析結果可知，雖然邊坡趨于穩定，但滲流分析得出水平和垂直水力梯度的最大值出現在下游出口點，因此有必要進行事先的加固措施。現階段，水利工程針對壩體防滲和加固通常會采取以下幾種常用手段：高壓噴射注漿法作為一種簡便易操作的技術，可以對涵蓋整個操作工藝環節進行整體性規劃，并且能夠確保漿液固結體可以持續性地維持高強度。基于上述兩個優勢，在堤壩壩基的覆蓋層、接觸帶場景等應用領域經常可以看到高壓噴射注漿法的應用案例。另外，高壓噴射方式會對形成的固體形態產生直接影響，一般情況下的堆石體情況等復雜環境下常常采用防滲墻的結構。通常情況下，高壓噴射采用單管噴射的基本方式，但有的復雜應用場景下需要選擇雙管噴射、甚至是三管噴射的方式。垂直鋪塑防滲技術具有操作簡便以及施工成本低等優點，常用于低水頭堤壩處進行防滲作業。因此，本文根據大壩實際情況，建議采用垂直鋪塑防滲技術，就能夠對大壩滲流破壞起到預防作用，在經濟和安全上達到平衡。

圖5 Janbu法計算得出的邊坡安全系數

圖6 Bishop法計算得出的邊坡安全系數

5 結 論

本文以龍坑口水庫為例，采用Geo-Studio軟件中SEEP/W進行大壩滲流分析，同時采用SLOPE/W程序中4種不同的極限平衡邊坡穩定性方法，對大壩上下游邊坡穩定性進行分析。結果表明，由于浸潤線位于土壩下游側，因此無內部侵蝕。在最大水庫水位(22.6 m)下，通過壩基和壩體的總滲流量為0.061 279 m3/d。此外，出口水力梯度似乎與水庫水位呈二次關系。對于邊坡穩定性，Janbu法計算出的上游邊坡安全系數為2.874，而下游邊坡安全系數要低于上游邊坡，為2.121；Bishop法計算出的上游邊坡安全系數為3.811，而下游邊坡安全系數同樣要低于上游邊坡，為2.831。而采用Morgenstern-Price和普通條分法所計算出來的上下游邊坡安全系數分別為3.521、2.711和3.181、2.398。由于所有獲得的安全系數值均高于1，預計不會出現邊坡破壞。