基于非飽和滲流理論的水電站泄洪霧化雨滲流特征研究

趙永輝

（西藏自治區(qū)水利電力規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，西藏 拉薩 850000）

1 問題的提出

西藏位于我國(guó)西南部，其豐富的資源和特殊的地理優(yōu)勢(shì)對(duì)我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)起著舉足輕重的作用。黨中央國(guó)務(wù)院高度重視西藏發(fā)展，特別是西藏水電工程。實(shí)際建設(shè)過程中，一些疑難工程問題困擾和影響了建設(shè)步伐，如水電站泄洪期間工程區(qū)滑坡堆積體滲流場(chǎng)及穩(wěn)定性分析。因此，有必要對(duì)上述問題展開針對(duì)性研究。

目前，主流的滑坡堆積體滲流分析方法存在一些不足，即視滑坡堆積體為飽和體，而實(shí)際工程中絕大多數(shù)呈非飽和狀態(tài)。鑒于上述原因，眾多專家學(xué)者對(duì)非飽和滲流理論做了大量試驗(yàn)和理論研究，提出非飽和土體滲透系數(shù)一般不為常數(shù)，其是基質(zhì)吸力或體積含水率的函數(shù)[1-2]。本文基于非飽和滲流理論，采用數(shù)值模擬法，研究西藏某水電站泄洪期間，霧化降雨在下游滑坡堆積體內(nèi)的滲流特征。

2 工程概況

西藏某水電站工程區(qū)為高山峽谷地貌，其下游發(fā)育巨型滑坡堆積體，縱長(zhǎng)約1500 m，橫寬約1300 m，達(dá)7.00×107m3。在雨水和山泉沖刷作用下，滑坡堆積體上發(fā)育多條沖溝，后期沖溝溯源侵蝕，將該滑坡堆積體分割為2個(gè)相對(duì)對(duì)立的堆積體，即Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)（見圖1）。

圖1 滑坡堆積體全貌圖

據(jù)勘探資料和河流階地揭露，該滑坡堆積體由河谷岸坡反傾層狀巖體的傾倒變形演化而來，其發(fā)生過2次滑動(dòng)[3-4]。第1次為較大規(guī)模的基巖滑坡，滑帶土主要由紫紅色、黃色黏土夾角礫構(gòu)成；第2次為滑坡堆積體上發(fā)育的次級(jí)滑動(dòng)，發(fā)育跡象不明顯?；露逊e體下伏反傾層狀巖體，滑帶附近呈極強(qiáng)—強(qiáng)傾倒，斜坡深部主要為弱傾倒巖體（見圖2）。

圖2 滑坡堆積體工程地質(zhì)剖面圖

3 泄洪霧化區(qū)滑坡堆積體滲流場(chǎng)及穩(wěn)定性分析

3.1 泄洪霧化降雨入滲計(jì)算模型的建立

泄洪霧化雨入滲基于非飽和滲流模型，采用GeoStudio的Seep/W進(jìn)行模擬，其滲流微分方程表達(dá)式為：

式中：H為總水頭（m）；mw為比水容重（kN/m3）；γw為水的重度（kN/m3）；kx、kz分別為土體水平、垂直向的滲透系數(shù)；t為時(shí)間（h）。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，參考現(xiàn)有工程后期運(yùn)營(yíng)泄洪霧化監(jiān)測(cè)記錄資料和自然降雨等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，分5級(jí)霧化區(qū)和5級(jí)霧化降雨強(qiáng)度（見表1）。計(jì)算模型表層施加霧化降雨，底面與側(cè)面基巖按不透水邊界處理，初始地下水位依據(jù)前期勘探資料確定。

表1 泄洪霧化雨強(qiáng)參數(shù)

根據(jù)5級(jí)霧化區(qū)，利用滑坡堆積體工程地質(zhì)剖面圖，在Seep/W中建立水電站泄洪霧化降雨滲流計(jì)算模型（見圖3）。

圖3 滲流場(chǎng)及穩(wěn)定性計(jì)算模型圖

3.2 選取計(jì)算參數(shù)

據(jù)滑坡堆積體工程地質(zhì)剖面，坡內(nèi)地下水位遠(yuǎn)離滑坡堆積體。同時(shí)，基于非飽和滲流理論可知，該滑坡堆積體呈非飽和狀態(tài)。因此，模擬計(jì)算所需滲透系數(shù)為變量。根據(jù)飽和狀態(tài)下的滲透系數(shù)和Seep/W自帶估計(jì)方法，得到非飽和滲流模擬研究所需的土水特征曲線與滲透性函數(shù)[5-6]（見圖4）。

圖4 滑坡堆積體水土特征曲線及滲透性函數(shù)曲線圖

模擬泄洪霧化滲流場(chǎng)后，Seep/W模塊需與Slope/W模塊耦合計(jì)算滑坡堆積體穩(wěn)定性。該過程所需抗剪強(qiáng)度參數(shù)主要由實(shí)驗(yàn)提供，同時(shí)參照其它類似工程綜合確定（見表2）。

表2 抗剪強(qiáng)度參數(shù)表

3.3 滲流過程模擬分析

水電站模擬泄洪霧化歷時(shí)30 d，前15 d模擬泄洪，第16天開始停止泄洪至第30天。經(jīng)計(jì)算模型模擬得到第1天至第30天水電站滑坡堆積體的滲流場(chǎng)變化。其中，選取第1天、第5天、第9天、第15天、第23天和第30天的模擬結(jié)果重點(diǎn)研究。分2階段詳述：

（1）泄洪階段（第1天 ～ 第15天）。第1天至第5天，滑坡堆積體前緣地下水位迅速抬升，達(dá)到飽和狀態(tài)，中部發(fā)育局部飽和區(qū)，后緣變化不明顯。隨著霧化雨持續(xù)影響，第6天至第15天，中部局部飽和區(qū)趨于貫通，后緣淺表層出現(xiàn)局部飽和區(qū)（見圖5）。從坡內(nèi)滲流場(chǎng)變化總體趨勢(shì)來看，其隨著水電站泄洪情況不斷發(fā)生改變，細(xì)究卻大相徑庭。泄洪前期，滑坡堆積體為非飽和巖土體，吸水能力較強(qiáng)，入滲速度較快，迅速出現(xiàn)局部飽和狀態(tài)。隨著水電站持續(xù)泄洪，滑坡堆積體飽和區(qū)域面積逐漸增加，入滲速度開始下降，當(dāng)飽和區(qū)趨于整體貫通時(shí)，入滲速度降至最低。之后，入滲速度基本保持最低值（即入滲速率近似于0）。整個(gè)泄洪過程，霧化雨強(qiáng)度不變，其入滲速度卻經(jīng)歷了由快至慢，最后保持基本平穩(wěn)的過程，霧化雨呈現(xiàn)出明顯的非線性入滲特征。

（2）停止泄洪后的觀測(cè)階段（第16天至第30天）。水電站停止泄洪后，滑坡堆積體淺表層飽和區(qū)迅速消失，深部飽和區(qū)相對(duì)較慢，直到第30天時(shí)仍殘留局部小范圍飽和區(qū)（見圖5）。該階段前期主要為淺表層雨水滲流，后期為坡內(nèi)深部滲流。其中，淺表層飽和區(qū)雨水通過坡表徑流迅速排除，滲流速度較快；深部飽和區(qū)雨水受滑坡滑帶隔水作用影響，滲流速度相對(duì)較慢。因此，停止泄洪后，坡體內(nèi)的滲流經(jīng)歷了先快后慢的過程，同樣呈現(xiàn)出霧化雨非線性入滲特征。

綜上所述，整個(gè)模擬期間（第1天至第30天），滑坡堆積體內(nèi)滲流流速變化大致分3個(gè)階段。第一，滲流流速迅速增大階段（第1天至第5天）；第二，滲流流速趨于穩(wěn)定階段（第6天至第15天）；第三，滲流流速平穩(wěn)回降階段（第16天至第30天）。假設(shè)滲流流速是時(shí)間的函數(shù)，時(shí)間是滲流流速的自變量，不難看出，隨著泄洪與停止泄洪時(shí)間的均勻推進(jìn)，滲流流速呈現(xiàn)出明顯的非線性入滲特征。

圖5 計(jì)算模型第1天至第30天孔隙水壓力圖

3.4 霧化雨對(duì)滑坡堆積體穩(wěn)定性影響分析

經(jīng)上述滲流特征研究可知，水電站泄洪霧化改變了下游滑坡堆積體坡內(nèi)滲流場(chǎng)，其直接影響滑坡堆積體的穩(wěn)定性。因此，有必要進(jìn)一步研究滑坡堆積體滲流場(chǎng)變化對(duì)其穩(wěn)定性的影響。穩(wěn)定性計(jì)算主要針對(duì)潛在滑體展開（見圖6）。

圖6 滑坡堆積體潛在滑體圖

經(jīng)泄洪霧化滲流場(chǎng)（Seep/W模塊）與滑坡堆積體模型（Slope/W模塊）耦合計(jì)算，得到整個(gè)泄洪霧化過程中滑坡堆積體潛在C - E滑體（Slip Surface1）、B - E滑體（Slip Surface2）、A - D滑體（Slip Surface3）和A - E滑體（Slip Surface4）安全系數(shù)的變化情況（見圖7）。據(jù)此作出水電站泄洪和停止泄洪后的觀測(cè)階段內(nèi)，滑坡堆積體的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)：

（1）整體分析圖7可知，C - E滑體、B - E滑體、A -D滑體和A - E滑體安全系數(shù)：FOSA-D＞FOSA-E＞FOSB-E＞FOSC-E。C - E滑體、B - E滑體、A - D滑體和A - E滑體最小安全系數(shù)分別為0.80、0.85、1.15和0.95，均出現(xiàn)在第5天至第15天內(nèi)，說明泄洪霧化和停止泄洪霧化期間（30天內(nèi)），第5天至第15天滑坡堆積體穩(wěn)定性最差，特點(diǎn)是前緣和中前緣處，存在局部失穩(wěn)的可能。

（2）模擬計(jì)算30 d內(nèi)，滑坡堆積體安全系數(shù)曲線大致分3個(gè)階段。第一，安全系數(shù)迅速減小階段（第1天至第4天）；第二，安全系數(shù)趨于平穩(wěn)階段（第5天至第15天）；第三，安全系數(shù)平穩(wěn)回升階段（第16天至第30天）。由于地下水是影響滑坡堆積體穩(wěn)定性的主要因素之一，當(dāng)泄洪霧化降雨改變滑坡堆積體內(nèi)部滲流場(chǎng)時(shí)，其穩(wěn)定性也隨之發(fā)生改變。因此，泄洪霧化降雨滲流的階段性特征決定了滑坡堆積體安全系數(shù)曲線的階段性。進(jìn)一步分析滲流流速與對(duì)應(yīng)階段安全系數(shù)發(fā)現(xiàn)，兩者近似成反比關(guān)系。

圖7 滑坡堆積體安全系數(shù)時(shí)程曲線圖

4 結(jié) 論

經(jīng)模擬某水電站泄洪與停止泄洪過程，基于非飽和滲流理論分析和研究霧化雨對(duì)下游滑坡堆積體滲流場(chǎng)及穩(wěn)定性影響，得出如下結(jié)論和建議：

（1）整個(gè)計(jì)算模擬期間（30 d內(nèi)），霧化雨在滑坡堆積體內(nèi)的滲流大致分3個(gè)階段，即滲流流速迅速增大階段（第1天至第5天），滲流流速趨于穩(wěn)定階段（第6天至第15）和滲流流速平穩(wěn)回降階段（第16天至第30天）。泄洪霧化雨在滑坡堆積體的滲流表現(xiàn)出明顯的階段性特征。

（2）隨著泄洪模擬時(shí)間勻速推進(jìn)，霧化雨滲流速度非勻速變化（先迅速增大，接著趨于穩(wěn)定，后平穩(wěn)回降），說明霧化雨的非線性滲流特征。

（3）滑坡堆積體內(nèi)滲流場(chǎng)受泄洪霧化雨影響而發(fā)生變化，導(dǎo)致滑坡堆積體穩(wěn)定性也隨之改變。整個(gè)模擬期內(nèi)（30 d），安全系數(shù)曲線大致分為迅速減小（第1天至第4天），趨于平穩(wěn)（第5天至第15）和平穩(wěn)回升（第16天至第30天）3個(gè)階段，其與滲流流速3個(gè)階段大致對(duì)應(yīng)，但是兩者近似成反比關(guān)系。安全系數(shù)曲線的階段性主要?dú)w因于泄洪霧化降雨滲流的階段性特征。

（4）本文研究得出了某水電站泄洪霧化降雨在滑坡堆積體內(nèi)滲流的2大特征，即滲流的階段性和非線性滲流。其均反映了滲流場(chǎng)變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合滲流流速與安全系數(shù)成反比的關(guān)系特征，可以有效把握泄洪期間每個(gè)時(shí)段滑坡堆積體的穩(wěn)定性。因此，該項(xiàng)研究成果對(duì)水電站實(shí)際泄洪過程把控和泄洪霧化降雨滲流研究具有一定的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。