庫水位降落下某均質(zhì)土壩飽和-非飽和滲流數(shù)值分析

□寇建衛(wèi) 馬 超 楊雯惠

某均質(zhì)土壩，壩頂高程為852.0m，壩頂寬度為10m，最大壩高為66.0m。上游壩坡坡比為1∶2.75和1∶3， 下游壩坡坡比均為1∶2.7。正常工況下，上游正常蓄水位為848m，下游相應水位為798m。該大壩的橫斷面圖見圖1。壩體內(nèi)設(shè)置水平褥墊排水。壩基巖體上部強風化帶厚度為1.0～2.0m，強～弱風化巖體透水率q=10～35Lu的中等透水層厚度為10.0m左右，下部巖體巖體透水率q＜3Lu，可視為相對隔水層。

1.有限元模型與計算參數(shù)

1.1 有限元模型

計算坐標系規(guī)定如下：x軸為順河流方向，從上游指向下游為正；y軸為垂直方向，豎直向上為正；坐標原點（0,0）取在模型的左下方。如圖2所示。計算模型的范圍選?。涸摼|(zhì)壩最大壩高66m，在x方向，分別沿壩踵上游和壩址下游各取60m，約1倍壩高；在y方向，從壩底向下取80m，約1.2倍壩高。應用巖土軟件GeoStudio軟件中的SEEP/W模塊采用三角形和四邊形單元相結(jié)合剖分形式進行剖分。

1.2 計算參數(shù)

圖1 大壩橫剖面圖

在考慮非飽和土的穩(wěn)定、非穩(wěn)定滲流場計算時，將壩體料的體積含水量函數(shù)和滲透系數(shù)函數(shù)采用Van-Genuchten模型進行擬合。見表1。

1.3 計算工況

研究庫水位分別以速度v=0.1m/d和v=1m/d，歷時分別為480d和 48d，從上游正常蓄水位848m下降到800m高程的穩(wěn)定和非穩(wěn)定滲流場。

2.庫水位下降對飽和與非飽和滲流數(shù)值分析

通過有限元計算，將飽和非穩(wěn)定滲流與非飽和非穩(wěn)定滲流計算得到的浸潤線進行對比。通過對比分析可以看出：飽和滲流與考慮非飽和因素的滲流浸潤線有明顯的區(qū)別，飽和滲流的浸潤線靠近上游壩面處隨水位面同步下降，曲線呈下凹趨勢；考慮非飽和滲流的靠近上游壩面處浸潤線也隨水位面同步下降，但是曲線呈上凸趨勢，且隨庫水位下降速度的增大，上凸趨勢越明顯。

工況一：庫水位下降速度v=0.1m/d時，歷時480d時，水位下降到800m高程。飽和滲流浸潤線前端隨水庫水位同步下降，各時段浸潤線隨時間均勻變化，480d時水位已經(jīng)趨于水平，隨時間繼續(xù)增加，直到580d時，浸潤線基本沒有發(fā)生變化，一直處在480d的位置。考慮非飽和影響時，隨時間增加，浸潤線靠近壩體上端部位逐步與上游水位趨于平行，水位下降580d時與考慮飽和影響計算的480d浸潤線也基本一致。

圖2 大壩有限元模型

表1 滲流計算所需參數(shù)表

工況二：庫水位下降速度v=1m/d時，歷時48d時，水位下降到800m高程。飽和滲流浸潤線前端隨水庫水位同步下降，變化趨勢與v=0.1m/d時一樣，當歷時48d時，水位已趨于水平，隨時間的繼續(xù)增加，直到580d時，浸潤線與48d的基本沒有發(fā)生變化。考慮非飽和影響時，0～11d左右，浸潤線前端隨水庫水位同步幾乎下降，逐漸與水位平行，從16d左右往后，隨庫水位下降和時間的增加，浸潤線前端向下彎曲的程度越來越明顯，浸潤線最高點的下降速度也低于庫水位下降速度，出現(xiàn)了較為明顯的滯后現(xiàn)象。歷時48d時，庫水位下降到800m高程，而浸潤線最高點高程庫水位30.2m。隨時間增加，浸潤線最高點不斷下降，前端坡度越來越緩，到達580d時水位趨于水平。

飽和滲流的浸潤線靠近上游壩面處隨水位面同步下降，曲線呈下凹趨勢；考慮非飽和滲流的靠近上游壩面處浸潤線也隨水位面同步下降，但曲線呈上凸趨勢，且隨庫水位下降速度的增大，上凸趨勢越明顯。飽和滲流壩體浸潤線隨庫水位一起下降，不會發(fā)生浸潤線滯后現(xiàn)象。而對于飽和-非飽和滲流，則發(fā)生浸潤線滯后現(xiàn)象。