庫水位驟降對(duì)黏土心墻壩壩坡穩(wěn)定的影響分析

王資歡　張曉峰

(1.河南省水利第二工程局， 河南 鄭州　450016；2.北京國泰節(jié)水發(fā)展股份有限公司， 北京　100053)

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庫水位驟降對(duì)黏土心墻壩壩坡穩(wěn)定的影響分析

王資歡1張曉峰2

(1.河南省水利第二工程局， 河南 鄭州450016；2.北京國泰節(jié)水發(fā)展股份有限公司， 北京100053)

壩坡穩(wěn)定是土石壩設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容,在極端工況條件下，壩體內(nèi)孔隙水壓力常不能很快消散，較高的孔隙水壓力和滲透力會(huì)使上游壩坡具有下滑趨勢(shì)，甚至釀成滑坡事故。鑒于此，應(yīng)用三維非穩(wěn)定飽和-非飽和滲流有限元法建立大黑箐水庫樞紐區(qū)三維有限元模型，對(duì)極端工況條件下壩體的非穩(wěn)定滲流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明，1d內(nèi)庫水位自校核洪水位驟降至正常蓄水位，不會(huì)對(duì)心墻的穩(wěn)定造成不利影響。

土石壩； 心墻； 非穩(wěn)定滲流； 有限元法； 滲透坡降

壩坡穩(wěn)定是土石壩設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。當(dāng)庫水位驟降時(shí)，壩體內(nèi)孔隙水壓力常常不能很快消散，浸潤(rùn)線高于坡外庫水位，較高的孔隙水壓力和滲透力會(huì)使上游壩坡具有下滑趨勢(shì)，甚至釀成滑坡事故[1-3]。1979年，湖北省獅子巖土石壩，因發(fā)現(xiàn)漏水而決定放空水庫，上游壩坡受庫水位驟降影響(v=1.60m/d)產(chǎn)生滑坡[4]。因此，在實(shí)際工程中進(jìn)行土石壩上游壩坡穩(wěn)定分析，以防止因庫水位下降過快而導(dǎo)致滑坡事故發(fā)生顯得尤為重要。鑒于此，本文以大黑箐水庫黏土心墻壩為研究對(duì)象，應(yīng)用三維非穩(wěn)定飽和-非飽和滲流有限元法對(duì)該壩在極端工況下(v=4.16m/d)的非穩(wěn)定滲流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，探討水位驟降對(duì)該壩上游壩坡穩(wěn)定的影響。

1　非穩(wěn)定飽和-非飽和滲流基本原理

假定達(dá)西定律同樣適用于非飽和滲流情況，則非飽和滲流基本微分方程可以采用與飽和滲流相同的方法推導(dǎo)得到[5]。非穩(wěn)定飽和-非飽和滲流基本微分方程：

(1)

式中hc——壓力水頭；

ki3——飽和滲透系數(shù)張量中僅和第3坐標(biāo)軸有關(guān)的滲透系數(shù)值；

kr——相對(duì)透水率，為非飽和土滲透系數(shù)與飽和土滲透系數(shù)比值，在非飽和區(qū)0

β——飽和-非飽和選擇常數(shù)，在非飽和區(qū)等于0，在飽和區(qū)等于1；

Ss——彈性貯水率，飽和土體的Ss為一個(gè)常數(shù)，在非飽和土體中Ss=0，當(dāng)忽略土體骨架及水的壓縮性時(shí)對(duì)于飽和區(qū)也有Ss=0；

Q——源匯項(xiàng)。

(2)

其中帶“e”的符號(hào)表示相應(yīng)于單元的量。

單元支配方程：

(3)

(4)

(5)

(6)

其中a、b=1～8， i、 j=1、3；

式中Na,Nb——單元形函數(shù)；

hc——壓力水頭。

將單元支配方程進(jìn)行集成，可得整體有限元支配方程為：

(7)

(8)

2　工程概況

大黑箐水庫位于宜良縣竹山鎮(zhèn)某村，屬珠江流域南盤江左岸二級(jí)支流。水庫主要功能是以農(nóng)田灌溉供水及集鎮(zhèn)、農(nóng)村生活供水為主，兼顧保障下游防洪安全。水庫總庫容110.87萬m3，工程規(guī)模為小(1)型，工程等別為Ⅳ等，主要建筑物級(jí)別為4級(jí)，臨時(shí)建筑物級(jí)別為5級(jí)。水庫設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用30年一遇，相應(yīng)洪水位1803.76 m，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)采用300年一遇，相應(yīng)洪水位1805.18 m。溢洪道、輸水洞消能防沖設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇。臨時(shí)建筑物設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用5年一遇。大壩采用黏土心墻壩，壩軸線長(zhǎng)185m，壩頂高程1805.50m，壩頂設(shè)高1.2m混凝土防浪墻，墻頂高程1806.70 m，壩頂寬度為5m。

3　三維有限元模型

3.1計(jì)算模型范圍

以大地坐標(biāo)(513706.54，2729555.99)為模型坐標(biāo)原點(diǎn)；該點(diǎn)位于右壩端0+000.00的壩軸線，取X軸為順河流方向，垂直于壩軸線，上游指向下游為正；Y軸為壩軸線方向，右岸指向左岸為正；Z軸為垂直方向，向上為正，與高程一致。計(jì)算模型上游截取壩踵以上70.99m，邊界至壩軸線上游約136.08m(X=0m)；下游截取壩趾以下82.00m，邊界至壩軸線下游約168.13m(X=168.13m)；左岸截取壩肩山體205.73m，即邊界至左壩端約205.73m(Y=395.14m)；右岸截取壩肩山體287.00m，即邊界至右壩端約287.00m(Y=-287.00m)；底邊界截取壩基帷幕最深處以下37.54m(一倍壩高)，至高程1680.00m；頂邊界截至頂高程1840.30m，低于1840.30m的地形按實(shí)際高程考慮。該模型上下游方向?qū)挾燃s304.21m，左右岸方向長(zhǎng)度約672.14m，高度約160.30m。有限元網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)總數(shù)為27141個(gè)，單元總數(shù)為25325個(gè)。三維超單元計(jì)算模型網(wǎng)格如圖1所示。

圖1　三維超單元計(jì)算模型網(wǎng)格

3.2模型邊界條件

計(jì)算模型的邊界類型主要有已知水頭邊界、出滲邊界、不透水邊界三種:?已知水頭邊界包括壩址區(qū)上、下游水位淹沒線以下的給定水頭邊界，以及給定地下水位的截取邊界；?出滲邊界為壩區(qū)上、下游水位淹沒線以上，左、右岸山坡的迎水面，為所有與大氣接觸的邊界；?不透水邊界包括模型底面以及模型上、下游截取邊界。模型兩側(cè)截取邊界根據(jù)計(jì)算的地下水位與原地下水位比較確定，可以是不透水邊界，也可以給定地下水位邊界。

4　計(jì)算參數(shù)選取

土壩水位驟升或驟降引起的非穩(wěn)定滲流受較多因素影響，除上游水位上升或下降速度外，壩體材料滲透系數(shù)及壩體給水度等也很重要[6]。本文的給水度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和文獻(xiàn)資料參考類似工程選取，計(jì)算所需材料滲透參數(shù)如下表所列。

材料滲透參數(shù)表

5　計(jì)算成果分析

根據(jù)以上計(jì)算原理，采用三維非穩(wěn)定飽和-非飽和滲流有限元計(jì)算程序，對(duì)水庫在極端條件下(水位驟降4.16m/d)的非穩(wěn)定滲流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算分析，計(jì)算得到的不同時(shí)刻典型斷面等勢(shì)線如圖2所示。

圖2　剖面Y=90m不同時(shí)刻位勢(shì)分布

衡量庫水位降落影響的指標(biāo)一般采用比值K/(μv) (K為滲透系數(shù)，μ為介質(zhì)的給水度，v為庫水位下降速度)，該值反映了介質(zhì)孔隙中水體降落速度與庫水位降落速度間的關(guān)系，亦可以用于判別庫水位降落速度對(duì)壩坡穩(wěn)定性的影響，當(dāng)K/(μv)<1/10時(shí)，自由面下降極緩；當(dāng)K/(μv)>10時(shí)，孔隙水和庫水位同步下降，隨之泄盡，滲流對(duì)穩(wěn)定性沒有影響；當(dāng)1/10

5.1壩殼滲流性態(tài)

從圖2可以看出，上游壩殼內(nèi)堆石區(qū)的自由面降落較快，與庫水位的下降速度接近。由于壩殼料的滲透性較大，其滲透系數(shù)達(dá)1.00×10-2cm/s，相應(yīng)的K/(μv)比值為20.83，比值較大，可認(rèn)為上游壩殼內(nèi)堆石區(qū)的自由面與庫水位同步下降。在庫水位降落的過程中，下游風(fēng)化料壩殼內(nèi)的自由面水位變化很小，壩殼內(nèi)的滲透坡降也較小，不會(huì)對(duì)下游壩坡的穩(wěn)定造成不利影響。

5.2心墻滲流性態(tài)

由于心墻的滲透系數(shù)很小，其滲透系數(shù)為6.28×10-6cm/s，相應(yīng)的K/(μv)比值約為1.30×10-3，因此該水庫庫水位降落速度4.16m/d屬于驟降。

從各時(shí)段末心墻的自由面位置變化來看，隨著庫水位不斷下降，心墻內(nèi)的自由面也隨之下降，但降落速度較慢，遠(yuǎn)小于庫水位的下降速度。從心墻內(nèi)的自由面狀態(tài)看，自由面最高點(diǎn)并不對(duì)稱，偏向心墻上游側(cè)。心墻內(nèi)的自由面從最高點(diǎn)起向心墻兩側(cè)逐漸下降，在一定高度后出逸，沿心墻上游面和下游面向下，與壩殼內(nèi)的自由面銜接。

在庫水位降落起始時(shí)刻(t=0h)，心墻的最大滲透坡降為1.67。隨著庫水位降落，其值有所減小。當(dāng)庫水位降落到1800.08m時(shí)，心墻的最大滲透坡降減小1.31，小于心墻的允許滲透坡降。在庫水位降落后，心墻內(nèi)自由面高于上游壩殼，心墻上游側(cè)滲透力的方向發(fā)生改變，由原來的指向下游轉(zhuǎn)為指向心墻上游。

在庫水位自校核洪水位1804.24m降落至正常蓄水位1800.08m時(shí)，心墻內(nèi)的自由面最高點(diǎn)高出庫水位約2.03m，約占初始時(shí)刻總水頭的5.60%。在庫水位降落后，心墻的最大滲透坡降有所降低，但是變化幅度不大。隨著歷時(shí)增加，心墻內(nèi)飽和孔隙水逐漸排出，心墻內(nèi)的自由面將逐漸降低，其滲透坡降亦將進(jìn)一步減小。因此，不會(huì)對(duì)心墻的穩(wěn)定造成不利影響。

6　結(jié)　論

a.在極端工況下(v=4.16m/d)，心墻上游壩殼浸潤(rùn)線幾乎和水位同步下降，而由于心墻滲透系數(shù)較小，水主要滯留在心墻內(nèi)，心墻內(nèi)的自由面從最高點(diǎn)向心墻兩側(cè)逐漸下降，但心墻內(nèi)的自由面最高點(diǎn)高出庫水位不多，且心墻的最大滲透坡降小于允許坡降，因此滿足滲透穩(wěn)定性要求。

b.盡管在本文模擬分析工況下，心墻滿足滲透穩(wěn)定性要求，但由于浸潤(rùn)線高于庫水位，勢(shì)必存在一定的順坡向滲流動(dòng)水壓力，而本文模擬工況，水位驟降歷時(shí)較短，且水位降幅不大，從而忽略了這些因素的影響。

若考慮放空水庫，由于水位降幅較大，則需要考慮這些因素的影響，合理地選擇泄水速度，以免危及心墻壩坡的穩(wěn)定。

[1]賈蒼琴,黃茂松,王貴和,等.水位驟降對(duì)土坡穩(wěn)定性的影響分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,(3):304-309.

[2]王學(xué)武,許尚杰,黨發(fā)寧,等.水位驟降時(shí)的非飽和壩坡穩(wěn)定分析[J].巖土力學(xué),2010,(9):2760-2764.

[3]劉釗,柴軍瑞,陳興周,等.庫水位驟降時(shí)壩體滲流場(chǎng)及壩坡穩(wěn)定性分析[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào),2011,(4):466-470.

[4]王冬林,李宗利,張洪泉.庫水位驟降對(duì)均質(zhì)土壩壩坡穩(wěn)定的影響分析[J].人民黃河,2011,(4):147-149.

[5]姜媛媛.飽和-非飽和滲流影響下非連續(xù)性巖體邊坡穩(wěn)定分析方法研究[D].南京:河海大學(xué)碩士學(xué)位論文,2005.

[6]顧慰慈.滲流計(jì)算原理及應(yīng)用[M].北京:中國建材工業(yè)出版社,2000.

Analysis on the influence of reservoir water level sharp dropping on the clay core wall dam slope stability

WANG Zihuan1， ZHANG Xiaofeng2

(1.HenanWaterResourcesNo.2Bureau,Zhengzhou450016,China;2.GuotaiWaterSavingCo.,Ltd.,Beijing100053,China)

Dam slope stability is one important content in earth dam design. Pore water pressure cannot dissipate quickly in dam body under extreme conditions. Upstream dam slope has sliding trend due to higher pore water pressure and seepage force, and landslide accident can even be produced. On the basis, three-dimensional unsteady saturated-unsaturated seepage finite element method is applied for establishing 3D finite element model in Daheiqing Reservoir Area. The non-steady seepage field is simulated and analyzed aiming at the dam under extreme conditions. The results show that the reservoir water level is sharply dropped form the maximum flood water lever to normal water storage level within 1d, which cannot produce unbeneficial influence on the stability of core wall.

earth and rock-fill dam; core wall; unsteady seepage; finite element method; seepage slope

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.09.011

TV641

A

1005-4774(2016)09- 0042- 04