韓江峪黏土心墻土石壩滲流及壩坡穩(wěn)定性分析

張 錄，王亮明，謝利云，劉 輝

(1.青海省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，西寧 810007； 2.瑞和安惠項(xiàng)目管理集團(tuán)有限公司，石家莊 050000； 3.河南天池抽水蓄能有限公司，河南 南陽(yáng) 473000)

土石壩因具有就地取材、對(duì)地形地質(zhì)及氣候條件適應(yīng)性強(qiáng)、施工管理方便等特點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用。據(jù)國(guó)內(nèi)外統(tǒng)計(jì)，土石壩失事事故約有40%是由滲流問(wèn)題導(dǎo)致的[1]，因之導(dǎo)致的滑坡及滲透破壞甚為嚴(yán)重。因此，滲流分析及壩坡穩(wěn)定性分析的可靠程度對(duì)土石壩的安全性具有重要影響。在土石壩內(nèi)部滲流場(chǎng)中，浸潤(rùn)線以下區(qū)域?yàn)轱柡蜐B流，而浸潤(rùn)線以上區(qū)域?yàn)榉秋柡蜐B流。但以往對(duì)土石壩的滲流分析多建立在飽和滲流基礎(chǔ)之上[2-3]，沒(méi)有考慮非飽和區(qū)的滲流情況，且在壩坡穩(wěn)定性分析中較少考慮土體基質(zhì)吸力的影響效應(yīng)，導(dǎo)致分析結(jié)果與實(shí)際情況有較大差異。鑒于此，本文以飽和-非飽和滲流理論、非飽和土體抗剪強(qiáng)度理論及極限平衡分析法為基礎(chǔ)，采用有限元分析軟件GeoStudio中的SEEP/W及SLOPE/W模塊對(duì)韓江峪水庫(kù)黏土心墻土石壩進(jìn)行滲流及壩坡穩(wěn)定性分析，以期為類似工程土石壩的滲流計(jì)算及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供參考。

1 工程概況

韓江峪水庫(kù)位于洋河支流西洋河上，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧養(yǎng)殖等綜合利用的小(Ⅰ)型水庫(kù)。壩址以上控制流域面積2.34 km2，水庫(kù)總庫(kù)容131.09×104m3，死水位52.0 m，汛限水位61.5 m，正常蓄水位61.5 m，50年一遇設(shè)計(jì)洪水位62.59 m，300年一遇校核洪水位63.05 m。水庫(kù)樞紐工程主要由黏土心墻壩、溢洪道及放水洞等組成，建筑物級(jí)別為4級(jí)。其中，黏土心墻壩頂高程63.5 m，壩頂寬4.0 m，壩頂長(zhǎng)279 m，最大壩高15.9 m。上下游面均于高程55.9 m處各設(shè)有寬1.5 m的馬道，上游面坡比自上而下依次為1∶2.5和1∶3.0，下游面坡比自上而下依次為1∶2.0和1∶2.5。大壩心墻底部設(shè)有黏土截水槽，下部強(qiáng)風(fēng)化基巖層中進(jìn)行帷幕灌漿，并深入相對(duì)不透水層2.0 m，大壩黏土心墻、黏土截水槽及壩基灌漿帷幕形成一個(gè)完整的防滲系統(tǒng)。大壩下游坡腳設(shè)有排水棱體，頂高程為49.5 m。壩基地質(zhì)結(jié)構(gòu)屬土巖雙層結(jié)構(gòu)，上部為厚約5 m的砂壤土層，下部為黑云斜長(zhǎng)片麻巖層。最大壩高典型橫斷面見(jiàn)圖1。

圖1 黏土心墻土石壩典型斷面(單位：高程為m，其余為cm)Fig.1 Typical section of clay core wall of earth rock dam (unit: height is m, and the rest is cm)

2 滲流計(jì)算分析

2.1 飽和-非飽和滲流模型

非飽和土體滲流同樣符合達(dá)西定律，但與飽和土滲流相異之處為非飽和區(qū)土體滲透系數(shù)是土體基質(zhì)吸力的函數(shù)，往往隨空間位置而變化。由達(dá)西定律和流體運(yùn)動(dòng)連續(xù)性方程可導(dǎo)出二維非穩(wěn)定飽和-非飽和滲流控制方程[4]為：

式中：kx(ψ)、ky(ψ)分別為X方向及Y方向的滲透系數(shù)函數(shù)；ψ為土體的基質(zhì)吸力，即負(fù)孔隙水壓力；h為總水頭；γw為水的容重；mw為比水容重，定義為土水特征曲線斜率的負(fù)值，即：

式中：ua為孔隙氣壓力；uw為孔隙水壓力；θw為土體體積含水量。

可見(jiàn)，在穩(wěn)定滲流問(wèn)題中，若已知滲透系數(shù)函數(shù)及邊界條件，即可進(jìn)行滲流計(jì)算。

2.2 計(jì)算工況

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274-2001)，本文對(duì)黏土心墻壩穩(wěn)定滲流期的水位組合情況進(jìn)行滲流計(jì)算，具體工況如下：

1) 上游正常蓄水位61.5 m，下游無(wú)水。

2) 上游設(shè)計(jì)洪水位62.59 m，下游水位與河床表面齊平。

3) 上游校核洪水位63.05 m，下游水位與河床表面齊平。

2.3 計(jì)算模型及材料滲透參數(shù)

在GeoStudio軟件SEEP/W模塊中，根據(jù)大壩最大壩高橫斷面建立滲流有限元模型，見(jiàn)圖2。模型中，壩基范圍在順?biāo)鞣较蜃云履_各向上下游方向延伸1倍壩高的距離，在深度方向取至相對(duì)不透水層頂部。采用以四邊形為主的單元對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元邊長(zhǎng)全局尺寸為1 m，對(duì)灌漿帷幕部分網(wǎng)格細(xì)化為0.5 m。

圖2 黏土心墻土石壩二維滲流有限元模型Fig.2 Finite element model of two dimensional seepage flow of clay core of wall earth dam

滲流有限元模型的邊界條件為：上游壩坡庫(kù)水位以下部分及庫(kù)底設(shè)為定水頭邊界，其值為相應(yīng)工況庫(kù)水位高程值；排水棱體下游坡面為自由滲出面(Potential Seepage Face)；下游河床面為定水頭邊界，其值為相應(yīng)工況下游水位高程值；其余邊界均為零流量邊界，即不透水邊界。

大壩各分區(qū)及壩基材料的飽和滲透系數(shù)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)并結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)確定，見(jiàn)表1。由SEEP/W模塊內(nèi)置的樣本材料土水特征函數(shù)和試驗(yàn)測(cè)定的壩體材料飽和體積含水率算出相應(yīng)材料的土水特征曲線，之后由土水特征曲線、材料飽和滲透系數(shù)及模塊內(nèi)置的Fredlund-Xing模型[5]算出相應(yīng)材料的滲透系數(shù)函數(shù)。壩體材料土水特征曲線及滲透系數(shù)函數(shù)曲線計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。

表1 大壩各分區(qū)滲透系數(shù)Tab.1 The permeability coefficient of each partition of the dam

圖3 壩體材料非飽和特性曲線Fig.3 The unsaturated characteristic curve of dam material

2.4 計(jì)算結(jié)果

應(yīng)用SEEP/W模塊分別對(duì)3種工況下的大壩進(jìn)行滲流求解，可獲得各工況大壩的浸潤(rùn)線、網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)水頭、節(jié)點(diǎn)流速、節(jié)點(diǎn)水力梯度、通過(guò)指定截面的滲流量等流場(chǎng)信息，可圖形化顯示結(jié)果。以工況Ⅰ為例，正常蓄水位作用下大壩浸潤(rùn)線及總水頭等值線見(jiàn)圖4。滲流計(jì)算的主要成果見(jiàn)表2。由表2可知，隨著庫(kù)水位高程值的增加，大壩心墻出逸比降、大壩單寬滲流量及下游壩坡出逸比降均增大。

圖4 正常蓄水位作用下大壩浸潤(rùn)線及總水頭等值線(單位：m)Fig.4 The dam infiltration line and the total head contour under normal water level (unit: m)

表2 大壩滲流計(jì)算主要成果Tab.2 Main results of seepage calculation of dam

3 壩坡穩(wěn)定性分析

3.1 穩(wěn)定性分析理論

非飽和土體Mohr-Coulomb抗剪強(qiáng)度公式為[6]：

τf=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(5)

式中：τf為土體抗剪強(qiáng)度；c′、φ′分別為土體有效黏聚力及有效內(nèi)摩擦角；σ為法向應(yīng)力；ua、uw分別為孔隙氣壓力及孔隙水壓力；φb為基質(zhì)吸力內(nèi)摩擦角。

本文穩(wěn)定性分析基于極限平衡分析原理，采用考慮條間法向力及條間切向力的Morgenstern-Price法[7]，依據(jù)靜力平衡條件和非飽和土體Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則計(jì)算壩坡穩(wěn)定性系數(shù)。

3.2 計(jì)算工況

穩(wěn)定性分析的計(jì)算斷面及計(jì)算工況均與滲流分析相同，針對(duì)每一種工況，分別計(jì)算大壩上下游壩坡穩(wěn)定性。

3.3 計(jì)算參數(shù)

大壩各分區(qū)土層及壩基材料的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 大壩穩(wěn)定計(jì)算材料物理力學(xué)參數(shù)Tab.3 Physical and mechanical parameters of dam on stability calculation materials

3.4 計(jì)算結(jié)果

采用SLOPE/W模塊對(duì)各工況下大壩上下游壩坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，孔隙水壓力采用相應(yīng)工況下的SEEP/W模塊滲流計(jì)算結(jié)果。以工況Ⅰ為例，正常蓄水位作用下大壩上下游壩坡最危險(xiǎn)滑弧面見(jiàn)圖5，各工況下壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，各工況下大壩上下游壩坡穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。隨庫(kù)水位的增加，上游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸增大。其原因?yàn)樗w對(duì)上游壩坡的壓重逐漸增大，使上游壩體內(nèi)部法向應(yīng)力增強(qiáng)，加大了土體顆粒之間的摩擦力，從而更有利于壩坡的穩(wěn)定；隨庫(kù)水位的增加，下游壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸減小，其原因?yàn)殡S庫(kù)水位的升高，下游壩體內(nèi)部浸潤(rùn)線同時(shí)升高，指向壩坡外部的滲透力逐漸增大，使下游壩坡越不穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

綜上所述，本文得出以下結(jié)論：

1) 隨著庫(kù)水位的增加，大壩心墻出逸比降、單寬滲流量及下游壩坡出逸比降均增大。

2) 各工況庫(kù)水位作用下，大壩上下游壩坡穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

3) 隨庫(kù)水位的升高，上游壩坡的穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸增大，而下游壩坡的穩(wěn)定安全系數(shù)逐漸減小。