土石壩潰壩滲流與邊坡穩定性聯合分析

楊 帆，池苗苗

(塔里木河流域希尼爾水庫管理局，新疆 庫爾勒 841000)

現代大壩有兩種類型，即土石壩和混凝土壩。土石壩約占全世界大壩的85%。在選擇土石壩類型時需要考慮幾個因素，例如：地形、基礎條件、環境影響、施工設施和社會經濟研究。希尼爾水庫位于新疆庫爾勒市境內，以農業灌溉為主，兼顧下游生態輸水、水力發電、水產養殖與旅游等功能，壩體為土工膜斜墻防滲碾壓式土石壩。

多孔介質滲流基本定律被許多學者用于研究滲流和邊坡穩定性失效問題[1-2]。孫文杰[3]使用ANSYS計算機程序中的熱模式對土石壩中無固定自由面的情況進行了數值模擬。盧茜等[4]使用Geostudio軟件計算了不同運行工況下通過的流量網和總體穩定時的邊坡穩定系數。王開拓等[5]使用Geostudio軟件研究了水平排水溝在水位快速下降過程對土石壩上游邊坡的影響。王寧[6]為評估網格劃分對結果精度的影響，對青海大寺溝土石壩的滲流分析進行了研究。齊曉華[7]研究了滲流和邊坡穩定性組合對典型土石壩破壞和穩定性的影響。

1 研究方法

本研究采用Geostudio軟件模擬了希尼爾土石壩的滲流和穩定性分析。有限元法的基本概念是將問題區域劃分為在其公共節點處連接的子域(有限元)，并在每個單元內近似定義場變量的未知函數。

潛水面滲流問題的解決需要對潛水面位置和有限元網格大小進行連續調整，直到達到水頭H所需的收斂程度。在所有迭代方法中，通過對未知值進行初始猜測開始求解，然后,通過遞推關系連續重復方程組的解來更新舊值，直到解在規定的誤差范圍內足夠接近地收斂，從而獲得解。

2 數值模型的驗證

本研究采用GeoStudio模擬了希尼爾土石壩的滲流和穩定性分析。將該模型用于邊坡穩定性分析的分區土石壩進行求解。用畢肖普方法對3例操作案例進行驗證。在這種情況下，使用數學方程的解析解與GeoStudio軟件的數值結果進行了比較。采用畢肖普法得出上游邊坡的FS為2.253。

獲得的結果匯總在表1中。結果顯示了所有運行情況下上游和下游邊坡的安全系數FS模擬。對于上游邊坡，絕對平均誤差AME約為0.16，平均絕對百分比差AAPD約為8.8%。對于下游邊坡，AME約為0.075，而AAPD約為4.1%，對于所有操作情況，數學方程的解析解和模型分析數值結果都取得了良好的一致性。

表1 安全系數最小計算結果

3 數值結果與討論

希尼爾大壩右側橋臺上有一個不受控制的混凝土溢洪道，有三個出口工程，河流出口位于靠近大壩中心的路堤底部，東渠道出口靠近左壩肩，西渠道出口靠近右壩肩。大壩的橫截面如圖1所示，各區域的材料滲透系數如表2所示。1區是低滲透巖心，由選定的淤泥、礫石組成，壓實在15 cm 的地層中。2區是壩殼材料區，由礫石、砂和鵝卵石組成，壓實在20 cm厚的地層中。3區是壩基層，由沖積層(淤泥)組成，厚度為34 m。大壩上游邊坡為1垂直至3水平方向傾斜，下游邊坡為1垂直至2水平方向傾斜。表3給出了大壩的幾何特性。

表2 希尼爾大壩的材料滲透系數

圖1 希尼爾大壩橫截面

2003年3月，希尼爾水庫主體工程建成并開始初期蓄水。到2017年，大壩滲漏嚴重，下游坡局部壩段出現滑坡，側溢洪道附近的堤壩約有一半出現滲漏，大約8027.8 m3的材料在路堤上被侵蝕，已通過出口降低水庫水位采取緊急措施。壩腳附近多處曾出現管涌，經復核，正常蓄水位工況下壩后滲透壓力大，下游壩坡出溢點高，下游壩坡及壩腳附近滲透穩定性不滿足規范要求。特別是在徑流量較大時，由于出口工程消力池受損，此時通過出口工程的水流受到限制，水庫很快高出溢洪道頂部152.4 cm，僅比設計高程低61 cm。因此，基礎層接縫灌漿工作決定著壩體性能。當通過壩體和基礎層的滲流量增加時，壩基深層滲透屏障的使用起到了決定性作用。

3.1 大壩安全標準和規范

希尼爾大壩的幾何特性如表3所示。可以看出，大壩的幾何設計是可以接受的。

表3 希尼爾大壩原始斷面與標準安全限值之間的比較

3.2 滲流分析

本文編制了GooStudio程序以模擬壩體及其壩基的滲流特性。節點數為1026，單元數為1938。圖2顯示了通過壩體的水頭變化和流線。圖3(a)顯示了大壩下游通過壩體的孔隙水壓力以及下游邊坡附近危及下游邊坡穩定性的水頭等值線。圖3(b)顯示了通過壩體的平均流速(1.6014×10-4(m3/s)/m)。圖4顯示了水平和垂直水力梯度與距壩基距離之間的關系。可以看出，核心區水平水力坡降平均值為0.53，核心區垂直水力坡降平均值為0.52。大壩出口水平方向和垂直方向的水力坡降分別為0.40和0.30。很明顯，壩體和壩基滲漏過多，壩體下游出現潰壩現象，屬于滲流潰壩類型。

表4 希尼爾大壩的水力安全標準

圖2 通過壩體的水頭變化和流線

圖3 通過壩體的潛水面和孔隙水壓力與希尼爾大壩壩體的流速

3.3 故障預防方案

該大壩的破壞是由于滲流造成的，圖5顯示了防止壩體過度滲流的情況。圖6(a)顯示，混凝土地下連續墻有效降低了浸潤線。此外，流線從大壩下游趾部發散，排水過濾器最大限度地減少了過度發達的孔隙水壓力，從而確保下游邊坡的穩定性。圖6(b)顯示了屏障后通過壩體的平均流速，最大值為7.4079×10-8(m3/s)/m。

圖5 緩解方案的橫截面

圖6 通過壩體的水頭變化與平均流速

4 結 論

(1)水位快速下降是壩坡失穩的關鍵條件。

(2)建議在遠離下游邊坡和流線的較低潛水面上設置黏土心墻或地下連續墻。

(3)建議使用排水設施、過濾器，以避免高孔隙水壓力集中在下游邊坡附近。

(4)希尼爾大壩壩基滲透量由1.6014×10-4(m3/s)/m 降至7.4079×10-8(m3/s)/m。