水位波動對土石壩穩定性影響分析

許臻真

(太原市水利技術推廣服務中心，山西 太原 030002)

為確保廣大人民群眾的生命和財產安全，自1949年至今，我國組織修建了眾多的水利水電工程，成為世界上大壩數量增長最快的國家之一。由于受到氣候變化等因素的影響，河流水庫的水位會經常產生波動，從而破壞大壩的穩定性，導致大壩邊坡失穩事件頻發[1]。近年來，世界各地極端天氣事件頻繁出現，水庫的水位波動較大，這對水庫大壩的安全運營提出了新的挑戰。如2021年河南省鄭州市因遭遇特大暴雨而發生洪災，其中，五星水庫的大壩邊坡有3處失穩，產生多條裂縫。因此有必要研究水位波動對大壩邊坡滲流場、穩定性的影響規律。

唐棟等[2]采用非飽和土滲流分析的方法，研究了不同初始條件對邊坡穩定性的影響。結果表明：土體的滲透性越好，邊坡穩定性受前期降雨的影響就越明顯；計算時應將平均降雨量對應的滲流場作為初始條件。王志浩[3]研究了水位變化對庫岸邊坡穩定性的影響，結果表明：水位的變化是導致邊坡失穩的主要因素。水位下降對邊坡的穩定性不利，水位上升有利于邊坡保持穩定，但在長時間強降雨的作用下，邊坡的穩定性出現了明顯的下降。李卓等[4]以龍江水電站滑坡區的實際降雨數據為基礎，通過模型試驗研究了降雨作用下邊坡的失穩特性。結果表明：前期降雨時由于雨水的入滲，導致土體強度降低，喪失部分基質吸力，再次降雨容易產生滑坡。曾潤忠等[5]使用ABAQUS有限元軟件，分析了降雨和水位波動共同作用下庫岸邊坡穩定性的變化情況。結果表明：在降雨和水位上升的共同作用下，邊坡穩定性變化不夠明顯；但在降雨和水位下降共同作用時，邊坡的穩定性出現了明顯的下降，降雨強度越大穩定性下降就越明顯。

綜上所述，降雨、水位波動對邊坡穩定性的影響比較明顯。但現有的研究多針對近壩岸邊坡的滲流特性和穩定性變化。在現有的研究中，很少見到有學者研究降雨和水位波動共同作用下水庫大壩邊坡滲流特性和穩定性變化規律。因此，本文以某水庫的土石壩為例，采用有限元分析軟件Geo-studio，研究了降水和水位波動共同作用下大壩邊坡滲流特性和穩定性系數的變化規律，并與實測數據進行對比，驗證模型的可靠性和準確性。

1 工程概況和模型建立

本文以某水庫大壩為研究對象，該大壩修建于1977年，壩體類型為黏土心墻壩，壩頂高程為112m，長335m，寬8m，大壩的典型剖面圖如圖1所示。其中上游的坡度從左到右分別為1∶3、1∶3.5、1∶4、1∶4、1∶4、1∶2.75、1∶2.5，下游的坡度從左到右分別為1∶2.3、1∶4.5、1∶1.5、1∶1.5、1∶1.5。壩體的物理參數見表1。

表1 大壩材料物理參數表

圖1 大壩典型剖面圖及監測點布置

以圖1所示的典型剖面圖為例建立有限元模型，如圖2所示。該模型網格采用的是非結構化四邊形和三角形網格。在邊界條件設置上，大壩上游邊坡靠近水庫，因此ab段定義為水頭邊界；bc段為流量邊界，模擬降水工況；大壩下游邊坡不臨水，同樣設置為水頭邊界；其余邊界均設置為不透水邊界。

圖2 數值計算模型圖

2 計算分析

不同計算工況見表2，其中工況1模擬降水對大壩的影響，工況2～工況4模擬水位波動對大壩的影響，工況5～工況7模擬降水和水位波動共同作用對大壩的影響。

表2 計算工況

2.1 模型驗證

為了驗證模型的準確性，分別在大壩防滲墻前、后布置一根測壓管，如圖1所示。將實測結果與工況1的計算結果進行對比，對比結果見表3。在7月1日，兩根測壓管的水位分別為95.29和79.5m，此時計算模型中所得到的浸潤線高程為96.23和80.31m，分別比實測值高了0.98%和1%；在7月20日時，測壓管水位高度分別為97.89和79.45m，所得到的浸潤線高程為98.55和80.37m，分別比實測值高了0.67%和1.16%。這說明計算值與實測值之間的差距較小，模型計算結果有效。

表3 實測值與計算值的比較

2.2 孔隙水壓力變化情況

為了監測降水和水位變化過程中大壩孔隙水壓力的變化情況，分別在大壩的上游、下游和壩頂設置若干個孔隙水壓力監測點。其中大壩上游和下游邊坡分別設置3個監測點，埋置深度均為坡表下5m；壩頂處監測點共有5個，每個監測點的豎向距離為5m。監測點的分布情況如圖1所示。

工況1的孔隙水壓力模擬結果如圖3所示，即降水對大壩孔隙水壓力的影響。從圖3(a)中可以看出，7月1日的降水量約為49mm，小于大壩的滲透系數，因此所有的降水量滲入大壩。而到7月5日后，降水量有較大提升，達到了165mm，當天的降水量明顯高于大壩的滲透系數，但降水量有限，只有大壩表面土體達到飽和狀態，所以L1和L2兩處的孔隙水壓力上升非常明顯。在降水結束后，5個監測點的孔隙水壓力分別達到了0、10.33、25.60、42.61、76.63kPa。這說明前期降水對大壩表層土體的影響明顯，影響深度達到了25m，整個大壩的土體都接近飽和狀態。

圖3 降水作用下大壩孔隙水壓力變化曲線

由圖3(b)可知，降水對W1處的孔隙水壓力影響較大，孔隙水壓力變化不大。主要是因為降水過程中，雨水不斷滲入，導致W1處的孔隙水壓力逐漸上升；而W2和W3兩個監測點始終位于庫水位以下，所以受降水影響很小。在整個降水過程中，W1處的孔隙水壓力由-65.81kPa上升到20.22kPa，增加趨勢非常明顯。

降水對大壩下游孔隙水壓力的影響如圖3(c)所示。從圖上可以看出，P1和P2兩個測點的孔隙水壓力的變化非常明顯，分別增加了200.67和192.65kPa，P3的孔隙水壓力僅增加了24.34kPa。這主要是因為P3始終位于浸潤線以下，前期降水對浸潤線的抬升效果不明顯，所以在整個過程中P3的孔隙水壓力變化較小。

給出了水位波動對大壩孔隙水壓力的影響曲線如圖4所示。從圖中可以看出，大壩下游的孔隙水壓力幾乎不受水位波動的影響；但大壩上游孔隙水壓力受水位波動的影響較大。由于W1位于水位之上，因此當水位下降時，該處的孔隙水壓力變化非常緩慢；W2和W3均位于初始水位之下，其孔隙水壓力會隨水位的下降而減小，水位下降速率越快，孔隙水壓力的下降速率也越快。

圖4 水位波動對大壩孔隙水壓力的影響

降水和水位波動共同作用下大壩孔隙水壓力變化曲線如圖5所示。通過和圖3—4對比可以發現，W1處和大壩下游的孔隙水壓力主要受到降水的影響，孔隙水壓力會隨著降水的增加而不斷上升；而W2和W3的孔隙水壓力主要受到水位變化的影響，降水對其影響可以忽略不計。

圖5 前期降水和水位波動共同作用下大壩孔隙水壓力變化曲線

2.3 大壩邊坡穩定性變化情況

降水作用下大壩邊坡安全系數的變化情況如圖6所示。從圖中可以看出，在降水期間和降水結束后的20d內，大壩上游邊坡的安全系數下降緩慢。但大壩上游邊坡的安全系數在降水期間變化幅度很小，在降水結束后邊坡的安全系數突然開始快速下降，最終下降至1.54。這說明降水主要是大幅度降低大壩下游邊坡的穩定性，邊坡穩定性的變化存在一定的滯后性。

圖6 降水作用下大壩安全系數變化曲線

水位變化情況下大壩邊坡穩定性的變化情況如圖7所示。從圖7(a)中可以看出，在水位下降的過程中，上游大壩的安全系數也在下降，而且水位下降速率越快，安全系數下降的也越快；當水位停止變化后，安全系數則會隨著時間的推移而緩慢上升。主要是因為在水位下降過程中，大壩中浸潤線的下降存在滯后效應，導致水力梯度較大，另一方面是坡面上的水壓力消失，土體中水向外滲流會產生拖拽力，最終使抗滑力減小，下滑力逐漸上升[6-7]。在水位停止下降后，浸潤線逐漸保持穩定，土中有效應力逐漸上升，使抗滑力有所提高，所以該階段的安全系數會有所提高。從圖7(b)中可以看出，隨著水位的下降，大壩下游邊坡的安全系數會逐漸升高，但總體的變化幅度很小。安全系數的變化幅度與水位下降速率呈正相關。

圖7 水位波動對大壩安全系數的影響

降水和水位波動共同作用下大壩邊坡的安全系數變化曲線如圖8所示。從圖中可以看出，上游大壩邊坡的安全系數先減小再趨于穩定，其下降速率與水位下降速率呈正相關。在降水階段，下游大壩邊坡的安全系數呈現出緩慢下降的趨勢，在降水結束后，安全系數的下降速率開始加快。

圖8 前期降水和水位波動共同作用下大壩安全系數變化曲線

3 結語

文章采用有限元分析軟件對某土石壩在降水和水位波動情況下大壩邊坡孔隙水壓力、安全系數的變化規律進行分析，得出以下結論。

(1)隨著降水量的增加，大壩表層土體逐漸飽和。降水結束后，雨水不斷向土體中滲入，導致浸潤線持續向大壩內部移動，使大壩不同深度處的孔隙水壓力變化時間晚于降水時間，具有一定的滯后性，埋深越大滯后越明顯。

(2)降水期間下游大壩邊坡的安全系數變化較小，降水結束后下游大壩邊坡的安全系數下降幅度較大。大壩的安全系數相對降水存在一定的滯后性，因此需要注意降水后大壩的穩定性。

(3)下游大壩邊坡的安全系數主要受降水的影響，上游大壩邊坡的安全系數主要受水位波動的影響。降水和水位波動共同作用下大壩邊坡安全系數的變化幅度大于降水或水位波動作用下大壩邊坡安全系數的變化幅度。